Перечень терминов по теплопередаче

Теплопроводность—перенос тепла через любой материал осуществляется со скоростью, определяемой физическими характеристиками материала Медь является прекрасным проводником тепла, изоляционные материалы — плохие проводники

Конвекция — имеет место между двумя поверхностями, одна из которых более нагрета, чем другая, разделенными прослойкой воздуха, в которой воз­никают потоки воздуха (нашваемые конвективными потоками), эти потоки переносят тепло от горячен поверхности к холодной Такая система переноса тепла работает подобно непрерывной цепочке ковшей, черпающих «тепло» Радиация проявляется, когда предмет, более нагретый, чем окружающие его предметы, излучает тепловые волны (аналогичные волнам светового спектра, по невидимые), излучая таким образом тепловую энергию

Количество теплоты — в системе СИ за единицу количества теплоты при­нят 1 джоуль (Дж)

Коэффициент теплопередачи, или К—мера способности материала про­пускать тепловой поток Она выражает количество теплоты, которое пройдет в час через материал площадью 1 м2 и толщиной 1 м при разности температур в 1 КД измеряется в Дж/(ч м град) [или Вт/(м2 град)] Величина С сходна с К, но ею измеряется тепловой поток через материал на единицу толщины Если вам известен К материала, то, чтобы найти С, разделите К на его тол­щину Например, слой изоляции 3 см с К= 0,03 имееі С = 0,10 Чем ниже К или С, тем лучше изоляционные свойства

U, или общий коэффициент теплопроводности — мера способности какого то элемента здания (например, стены) пропускать поток тепла U является комбинированной тепловой величиной в отношении всех материалов, приме­няемых в данном строительном элементе с учетом воздушных промежутков и воздушных пленок Чем меньше U, тем выше изоляционные свойства

Термическое сопротивление R — мера способности материала противо стоять тепловому потоку R является просто математической обратной вели­чиной либо С, либо U Таким образом, мы может записать или R=IC, или R=l/U в зависимости от того, говорим ли мы о тепловом сопротивлении только слоя изоляции или о полном профиле строительного элемента Изоля ционные материалы в основном характеризуются их величинами R Так, обозначение R—11 говорит об изоляции, имеющей 11 единиц сопротивления Понятно, что чем выше величина R, тем лучше изоляционная способность R является достаточно универсальным показателем для всех типов изоляции и всех видов строительных конструкций Любая изоляция, которая имеет обозначение R—11, обладает одной и гоп же изоляционной способностью не­зависимо 01 материала или толщины

Теплопроводность. Из факторов, влияющих на степень пере­дачи тепла за счет теплопроводности, наиболее важным при оценке сезонной потери тепла является термическое сопротивле­ние строительных материалов. Все материалы обладают опре­деленным конечным сопротивлением тепловому потоку; материа­лы, имеющие особо высокую величину, называются изоляцион­ными Противоположным по смыслу термическому сопротивле­нию является коэффициент теплопередачи, показывающий, какое количество гепла будет перенесено через здание во внеш­нюю среду зимой и получено от внешней среды летом. Коэффи­циент теплопередачи К является мерой способности данного материала пропускать тепло; он выражается в количестве тепло­ты в Дж, которое пройдет в час через материал площадью 1 м2 и толщиной 1 м, когда между двумя поверхностями материала поддерживается разность температур в 1 град; К измеряется в Дж/(ч-м2-град) или Вт/(м2-град). Коэффициент С является ко­эффициентом, аналогичным К, но он выражает мощность тепло­вого потока в Дж/ч (или Вт) через материал на единицу тол­щины. Деление К на толщину материала в метрах дает величи­ну С для данного материала (рис. 6.1); чем ниже К или С, тем выше изоляционные свойства.

Общий коэффициент теплопроводности U является мерой способности какой-то конструкции здания (например, стены) пропускать поток тепла. Это — комбинированная тепловая ве­личина, включающая свойства всех материалов строительной конструкция с учетом воздушных промежутков и воздушных пленок Чем ниже величина U, тем выше изоляционные свойст­ва конструкции. Величина U выражается в Вт/(м2-град). Чтобы найти общие потери тепла, величина U умножается на количест-

Рис 6 I. Наглядное соотношение величин /< н С 1 — площадь 1 мг. толщина 25 мм; 2 — то же толщина 50 мм, 3 — то же, толщина 12,5 мм

Во Часов, на общую площадь поверхности и на разность темпе­ратур внутренней и наружной поверхностей. Чтобы определить теплопотери через стену площадью 5 м2 с величиной U, равной 0,67 за 8 ч при внутренней температуре 18,5° С, а наружной —5° С, нужно перемножить (0,67) (8) (5) (18—5) = 1254 кДж теплопотерь.

_______ 1_____ Rt “Ь-R • • R*

Величину U любой части здания (степа, крыша, окно и т. п.) можно вычислить, зная величины теплопроводностей различных составных частей этой конструкции. В этот расчет входит и тер­мическое сопротивление. Сопротивление каждого элемента стро­ительной конструкции представляет собой обратную величину его коэффициента теплопередачи: R=l/C или R — (1/К) (толщи­на). Чем больше величина R материала, тем больше его изоляци­онная способность. Величина Rt является суммой сопротивлений отдельных элементов. Поэтому

Таким образом, расчет предусматривает сложение всех величин R конструкции здания, считая в числе этих элементов и вну­треннюю неподвижную пленку воздуха, любые воздушные промежутки более 20 мм всех строительных материалов и пленку наружного воздуха. Величины этих сопротивлений да­ны в приложении «Изоляционные свойства материалов». На рис. 6.2 приводится расчет величин U для двух типичных случа­ев элементов стены. Заметьте, что неизолированная стена про­пускает более чем в три раза больше тепла, чем изолированная.

После того как определены величины U всех конструкций здания (окон, стен, крыши и перекрытий), можно начать расчет общих потерь тепла. Один подход к решению этой задачи заклю­чается в определении общих потерь тепла зданием при наружных температурах, близких к минимальным; эти экстремальные тем­пературы называются «расчетными температурами». Перечень рекомендуемых расчетных температур для многих городов США дается в приложении «Градусо-дни и расчетные температуры». Подход с «условием 2,5%» применяется для определения коли­чества кДж в 1 ч, которое должна обеспечить отопительная си­стема, чтобы поддерживать в здании нормальную температуру (22° С) при всех условиях, за исключением экстремальных. Расчетная температура вычитается из нормальной внутренней температуры, чтобы найти разность температур. Затем определя­ется общая площадь поверхности элемента здания в квадратных метрах. Полученная величина умножается на разность темпера­тур и величину U, чтобы получить общие потери тепла через каж­дый элемент здания за час. Итоговые данные по каждому эле­менту складываются, чтобы получить общие потери тепла в 1 ч:

потери тепла в 1 ч через элемент здания — (площадь элемен-
та) X (разность температур)X(величина U элемента).

Рис. 6.2 Сравнение величии U степа с изоляцией сравнивается to стеной без изоляции

/ — неизолированная часів стены; 2 — изолиоованпая часть степы. Первым шагом явля­ется определение величин R каждого элемента конструкции и сложение их для получе­ния общей величины Rt Конструкция стены Неизолированная Изолированная 1 наружный пограничный слой воздуха, ветер (24 км/ч)……………………………… 0,17 0,17 2 обшивка внакрой деревянным досками 0,81 0,81 3 обшивка досками 12,5 мм обычной плот­ности…………………………………….. 1,32 1,32 4 воздушный промежуток 90 мм. 1.01 5 изоляция. … — 11 6 гипсовая плита 12,5 мм. 0,45 0,45 7 внутренний пограничный слон воздуха 0,68 0,68 Всего (Rt) . … 4,44 14,43 Обратная величина l/R=Ut величины U 0,2 3 0,069

Для определения общих потерь тепла за отопительный сезон нужно умножить общее число градусо-дней на 24 ч в сутках, в результате получим общее число градусо-часов (понятие граду­со-дней объясняется в части И). В приложении В приводятся ти­пичные отопительные градусо-дни для многих городов страны. После того как определены градусо-часы, расчет продолжается по принципу наихудшего варианта: площадь каждого элемента здания умножается па число градусо-часов и на величину U для каждого элемента. Итоговые результаты по каждому элементу складываются, давая в результате общегодовую потерю тепла зданием:

годовая потеря тепла через элемент= (площадь элемента)X X (24 ч/сут) X (град-дни) X (величина U элемента).

Полная стоимость отопления здания без поступления «бес­платного» тепла от солнечной радиации, находящихся в здании

Рис. 6.3. Стоимость энергии за 106 кДж 1 — найдите точку в вертикальном столбце, соответствующую цене юплива (например, 1 долл/галлоп нефти, 0,023 долл/кВт • ч электроэнергии, 0,73 долл/100 та 3 м* газа, 2 —• двигайтесь вправо, чтобы найти стоимость топлива за 105 кДж (например, 0,73 долл/105 кДж), 3 — пусть КПД топливного обогревателя составляет, например 60%, 4 —- двигайтесь вниз, чтобы найти итоговую стоимость тепла за 105 кДж (например, 1,20 долл/105 кДж)

Эффективность работы некоторых топливных отопителей, %

Антрацит с ручной подачей в топку… . 60—75

Битуминозный уголь с ручной подачей в топку. . . . 40—65

Битуминозный уголь с механической подачей в топку. 50—70

Нефть или газ……………………………………………. . . … Около

100

Примечание. Если работа топки плохо отрегулирована то вы­шеприведенные цифры могут быть меньше на 5—10 Потери при производ­стве и передаче электроэнергии составляют 2 кДж па каждый 1 кДж, до — шедшип до потребителя

людей или других источников, таких, как освещение и оборудо­вание, представляет собой стоимость обеспечения всего количе­ства в кДж, потерянных зданием в течение отопительного сезона. Обычно стоимость тепла выражается в долларах на 1 млн. кДж (106). Реальные затраты на теплоснабжение учитывают цену топлива, эффективность снабжения и количество кДж, обеспечи­ваемых за счет сжигания традиционного топлива. С помощью рис. 6.3 можно определить стоимость тепла в расчете на 1 млн. кДж при разных цепах на электроэнергию, нефть и газ, а также при разных коэффициентах подачи тепла.

Процесс определения общих сезонных потерь тепла представ­лен на «Диаграмме стоимости потерь тепла вследствие тепло­проводности» (рис. 6.4). Ниже приводится пример пользования этой диаграммой.

1. Для элемента здания с величиной U, равной 3,25, начнем с точки 1 на диаграмме.

2. Следуем по наклонной линии до горизонтали, представля­ющей общее количество отопительных градусо-дней для данного местоположения, в этом случае 7000 град-дней.

Рис. 6.4. Диаграмма стоимости энергии в зависимости от теплового качества здания по теплопроводности

1 — найдите линию, соответствующую величине U [т е. V — 3,3 Вт/(м2 • град)], 2 — дви­гайтесь по этой линии до градусо дней за сезон (например, 3888), 3 — двигайтесь верти­кально вверх, чтобы найти количество энергии, поступающее через поверхность (напри­мер, 1 078 000 кДж/м2 за сезон), 4 — остановитесь на площади поверхности в м2 (напри­мер, 9,3 м[11] [12] [13]); 5 — двигайтесь вправо, чтобы найти количество энергии, поступающее через всю поверхность (например, 10,128Х106 кДж за сезон), 6 — остановитесь на стоимости энергии за миллион кДж (например, 9 долл/1,055Х 106 кДж), 7 —двигайтесь вертикально вниз, чтобы найти полную стоимость энергии (например, 86 долл за сезон), 8 — остано­витесь па множителе (например, будущая увеличенная стоимость топлива 10 к); 9 — двигайтесь влево, чтобы найти итоговую стоимость энергии (862 долл за сезон)

потерю тепла через всю поверхность за сезон, которая равна 10 128 000 кДж.

6. Продолжаем двигаться по горизонтали до наклонной ли­нии, представляющей стоимость тепловой энергии за 1 млн. кДж, в данном случае 9 долл/106 кДж.

7. Двигаясь вертикально вниз от этой точки, находим общую стоимость тепла, прошедшего через элемент за сезон — 86 долл.

В последней графе справа (внизу) эта стоимость преобразу­ется в «конечную стоимость энергии» при помощи наклонных линий, называемых «множителями». Этот множитель может учи­тывать одно или несколько соображений.

1. Ориентировочная будущая стоимость энергии: расчетные

решения на основе существующих цен имеют немного смысла, так как цепы быстро растут.

2. Реальная экологическая стоимость использования ископае­мого топлива: сюда входит загрязнение и истощение природных ресурсов как непосредственно при сжигании топлива, так и кос­венно при снабжении потребителя от источника.

3. Первоначальные капиталовложения: применение правиль­ного множителя даст сумму возросших капиталовложений в ре­зультате годовой экономии топлива.

В этом примере будущие расходы на производство тепла мо­гут увеличиться в десять раз. Следуя вниз от последней точки, пересечем наклонную линию, представляющую множитель 10. От этой точки пересечения двигаемся влево по горизонтали и получаем скорректированную сезонную стоимость тепла, прошед­шего через строительный элемент, — 862 долл. Заметьте, что численные значения диаграммы могут быть изменены в десять раз. Например, чтобы определить теплопередачу через хорошую наружную стену (£7 = 28), возьмем £7 = 2,8 на диаграмме и раз­делим окончательный ответ на 10. Кроме того, каждым графи­ком можно пользоваться независимо от других. К примеру, при известном количестве энергии и ее цены верхний правый график дает полную стоимость этой энергии.

С некоторой дополнительной информацией эта диаграмма может оказать еще большую пользу. Рисунок 6.5 показывает, как меняется уровень теплопередачи через данный элемент зда­ния при наличии или отсутствии изоляции. Например, если к стене, имеющей величину £7=1,29, добавить стекловолокнистую изоляцию (R = 2), то как изменится величина £7? (Этот пример приведен на рис. 6.2.) В результате применения изоляции изоля­ционную способность воздушного слоя, равную 0,18, можно не учитывать, поэтому чистое увеличение сопротивления составля­ет R= 1,8. Теперь, чтобы воспользоваться диаграммой, мы начи­наем с 1,29 на вертикальной шкале слева. Двигаясь по горизон­тали, пересекаем кривую, обозначенную Д=1,8. Двигаясь вниз от этой точки, находим новую величину £7, равную 0,39, которая согласуется с расчетом. Имея эту информацию, возвращаемся к «Диаграмме стоимости энергии в зависимости от теплового ка­чества здания по теплопроводности», чтобы найти экономию в результате применения дополнительной изоляции. Разность ме­жду исходной и конечной величинами £7 составляет 1,29—0,39 = = 0,9. Затем эту разность можно использовать в диаграмме

0,5 0,15 0,25 0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0,95 1,05 1,15 UKl Qm/м2 град Рис 6 5 Впияние изменения термического сопротивления на величину тепло­передачи R — величина термического сопротивления изоляции, добавленной к ограждающим кон­струкциям, Uh, Вт/(м — град) получено путем сложения величины термического сопротив­ления изоляции R с соответствующей величиной ограждающих конструкций, имеющих коэффициент теплопередачи Vн (экономию от Uн—Uк можно определить по «Диаграм­ме стоимости энергии в зависимости от теплового качества здания», начав с п. 1)

стоимости таким же способом, как и в первом примере. Начав при U = 0,9, примем 2222 град-дней, 10 м2 и 9 долл, за 1 млн. кДж; экономия расходов на отопление за год составит около 17 долл. Поскольку это больше, чем стоимость изоляции, то вы­годнее вложить средства в изоляцию.

Аналогичные рассмотрения можно выполнить для любой си­туации. Однако следует помнить, что этот анализ проведен толь­ко для случая тепловых потерь вследствие теплопроводности. Радиационные и конвективные потери тепла также весьма зна­чительны п должны учитываться. Полный экономический ана­лиз, который выходит за рамки настоящего обсуждения, вклю­чает в себя, помимо стоимости изоляции и экономии топлива, долгосрочные стоимостные соображения, прогнозы будущего снабжения топливом, а также моральные и социальные решения в отношении использования певозобповляемых ресурсов.

Примечание, Из рис. 6.5 можно видеть, что для сущест­венного уменьшения небольшой величины U требуется намного большее тепловое сопротивление R, чем для уменьшения боль­шой величины U. Например, добавление 50 мм полиуретановой изоляции (R = 2,2) к 200 мм сплошного бетона снижает U с 3,7 до 0,4. Добавление дополнительных 50 мм той же изоляции уменьшает U с 0,4 до 0,2. Это можно проиллюстрировать в об­щем виде.

Тепловое сопротивление R для исходной величины U, и, равно:

Ri

Если мы увеличим тепловое сопротивление (например, доба­вив изоляции) Rm до Ri, то получим новое сопротивление R,

Rf = R,+Rin= ——— Ь Rm ~ ~ И

иг и f

£/у—- ?———- 1—— :

1 Я/ 1

U,

и,

1 + U, Rin

Конвекция. Конвективные потери тепла не так легко опреде­лить количественно, как потери вследствие теплопроводности. В здании существуют три зоны, где конвекционные потери наи­более значительны.

Первый тип тепловых потерь конвекцией имеет место внутри стен и между слоями стекла в ограждающих конструкциях зда­ния. Там, где имеется воздушный промежуток и где отмечается разность температур между противоположными поверхностями промежутка, будет наблюдаться естественная конвекция возду­ха, способствующая переносу тепла через промежуток. Посколь­ку этот процесс проходит не очень эффективно, считается, что воздушные промежутки обладают изоляционными свойствами, хотя они не столь высоки по сравнению с настоящими изоляци­онными материалами. Ширина воздушного промежутка должна быть более 20 мм, чтобы обеспечить хорошие изоляционные свойства, однако ознакомление с теплоизоляционными дан­ными воздушных промежутков показывает (см. приложение «Изоляционные свойства строительных материалов»), что увели­чение ширины воздушных промежутков не обеспечивает сущест­венного улучшения их изоляционных свойств. Более свободная циркуляция воздуха в более широком промежутке сводит па нет потенциально высокие изоляционные свойства более толстого не­подвижного воздушного слоя (рис. 6.6). В тех же таблицах по­казано, что отражательные качества поверхностей воздушного промежутка оказывают влияние на конечные изоляционные свойства промежутка. Этот радиационный эффект будет рас­смотрен более подробно ниже.

Движение воздуха в промежутках весьма значительно. Дей­ствительная изоляционная способность неподвижного воздуха велика; в большинстве распространенных видов изоляции воздух просто удерживается в малых пустотах, не имея возможности циркулировать. Распространение получила изоляция из слоев стекловолокна, но в смысле изоляционных свойств она не намно-

Рис 6.7. Различия в условиях комфортности при наличии изоли­рованной и неизолированной стен

а — неизолированная стена (или окно): эффект быстрого охлаждения,

сильные сквозняки, холодная пверхность стены, / — теплый воздух; 2 — холодная поверхность, 3 — прохладный воздух, 6 — хорошо изолированная стена: эффект медленного охлаждения, незначительные сквозняки, теплая поверхность стены, 4 — теплая поверхность

◄

Рис. G 6. Конвективные потери в воздушном промежутке

/ — наружная поверхность, 2 — внутренняя поверхность; 3 — теплый воздух поднимается, охлаждается и опускается; 4 — холодная внешняя среда, 5 —

теплое внутреннее помещение го лучше животного волоса, хлопка, перьев и даже воздушной кукурузы. Хотя все эти материалы обладают определенными ха­рактеристиками, которые делают их непригодными для строи­тельного применения, все они создают крошечные воздушные мешки, снижающие тепловые потоки.

Второй тип потерь тепла конвекцией тесно связан с потерями вследствие теплопроводности ограждающих конструкций. Это — движение воздуха внутри жилых помещений. Поскольку вну­тренние поверхности периметральных стен обычно холоднее дру­гих внутренних поверхностей, тепло комнатного воздуха пере­дается к этим поверхностям, в результате воздух в помещении охлаждается. Охлажденный воздух опускается вниз, пересекая помещение, в то время как более теплый воздух в верхней части комнаты движется, занимая его место. Таким образом, ускоряет­ся эффект охлаждения всей комнаты вследствие теплоотдачи от наружной стены. Хорошо изолированная наружная стена будет не намного холоднее других внутренних стен, однако движение воздуха и охлаждающий эффект оконных поверхностей будут значительными (рис. 6.7). Для устранения холодных сквозняков от застекленных поверхностей под окнами обычно устанавлива­ются отопительные приборы или воздушные регистры. Такая практика значительно улучшает комфортность жилого помеще­ния, но не снижает потери тепла наружу; на самом деле, она ускоряет потери тепла через окно, поскольку увеличивается эф­фективная разность температур между теплым внутренним воз­духом и холодным наружным воздухом.

Изоляционные свойства воздушных пленок с обеих сторон строительного элемента, хотя и не очень высоки, не требуют до­полнительных средств и вносят свой вклад в общую величину U. Неподвижный воздух обеспечивает максимальную величину термического сопротивления, и поэтому местоположение поверх­ности имеет значение. Из таблиц в приложении «Изоляционные свойства материалов» следует, что воздушная пленка на горизон­тальной поверхности обладает лучшими изоляционными свойст­вами, чем на вертикальной поверхности. Это объясняется тем, что конвективный воздушный поток, уменьшающий эффективную толщину пленки неподвижного воздуха, более значителен на вертикальной стене, чем на горизонтальной. Аналогично, воз­душная пленка на наружной поверхности существенно уменьша­ется под действием ветра, обдувающего поверхность. Таким об­разом, прошедшее во вне через стену тепло быстро передается движущемуся воздуху и уносится прочь. В таблицах показано влияние ветра на величину тепловых потерь. Изменение величи­ны U в зависимости от скорости ветра отражено также на рис. 6.8. Тепловые потери можно уменьшить при помощи противовет­ровых экранов и зеленых насаждений, препятствующих сопри­косновению быстро движущегося воздуха с ограждающими кон­струкциями здания; на рис. 6.9 показано влияние различных пре­пятствий на воздушный поток.

Приток воздуха имеет место через проемы в зданиях (напри­мер, окна) и через щели (воздушные зазоры) вокруг дверей и окон. Это основная причина тепловых потерь конвекцией, ко­торые не учитываются при расчете потерь вследствие теплопро­водности. Эти потери нелегко с достаточной точностью опреде­лить количественно, потому что они в большой степени зависят от степени герметичности конструкции и применения нащельного уплотнения окон, дверей и других проемов в ограждающих кон­струкциях здания. В расчетах обычно предполагается, что все здание должно быть достаточно герметичным, при этом учиты­вается только приток воздуха через окна и двери. При строитель­стве необходимо следить, чтобы это допущение было как можно ближе к действительности. Небольшие отверстия вокруг наруж­ных электрических и водопроводных вводов могут быть причиной значительного присоса воздуха в отапливаемые помещения, и этот холодный воздух должен нагреваться. Присос воздуха через оконные дверные щели достаточно изучен и потому до некоторой степени предсказуем.

Для того чтобы определить степень инфильтрации, необходи­мо прежде всего измерить длину щелей между оконной и дверной рамой и соответствующей коробкой (откосом проема) обычно по периметру отверстия. Если уплотнение между оконной коробкой и стеной не является герметичным, то в расчет нужно принять длину и этой щели. При помощи табл. 21 можно приблизительно определить объем утечки воздуха в час по каждому типу трещи­
ны или щели. Затем определяется разность температур между внутренним помещением и внешней средой.

Пользуясь плотностью и удельной теплоемкостью проникаю­щего в помещение воздуха, можно определить количество тепла, необходимое для его нагрева до комнатной температуры, по сле­дующей формуле:

^присос “ О?) (с) (Ф (L) (/, -10),

где q — объем поступающею воздуха в час на 1 м щели, м3/(ч-м), см табл 21, с — удельная теплоемкость воздуха, 1 кДж/(кг град), d — плотность воздуха, 1,2 кг/м3, L — длина щели, м, (б—к) — разность температур между внутренним п наружным воздухом, град

Эта формула должна применять­ся к полной длине трещины (щели) по каждому типу утечки через щель Общая длина щели зависит от ус­ловий в помещении: для помещений с одной утечкой используйте всю длину измеренной щели; для поме­щений с двумя утечками восполь — з)йтесь длиной щели в наружной стене, имеющей большее их количе-

Таблица 21. Инфильтрация воздуха через окна (выражено в м3 на 1 м щели в 1 ч1) [9] Тип окна Замечания Скорость ветра, км/ч 8 16 24 32 | 40 48 Раздвиж­ные окна с деревян­ными рама- Вокруг рамы в камен­ной кладке — не законо­пачены2 0,28 0,74 1,3 1,86 2,51 3,25 Вокруг рамы в каменной 0,09 0,18 0,28 0,37 0,46 0,56 ми (не за- перты) кладке — законопачены2 Вокруг рамы в деревян­ной коробке2 0,18 0,56 1,02 1,6 2,14 2,79 Всего на среднее окно без нащельных реек, 0,65 1,95 3,62 5,48 7,44 9,67 щель 1,5 мм и зазор 1,2 мм3 В том числе утечка через деревянную раму4 То же, с нащельными рейками4 0,37 1,2 2,23 3,34 4,55 5,86 Всего для плохо подог­нанного окна без на- 2,5 6,41 10,3 14,3 18,5 23,1 сдельных реек, щель 2,5 мм и зазор 2,5 мм5 В том числе утечка че­рез в деревянную раму4 То же, с нащельными рейками1 0,56 1,76 3,16 4,7 6,6 8,5 Раздвиж- Без нащельных реек, за- 1,86 4,18 6,5 8,9 11,6 14,3 ные метал- перты лические Без нащельных реек не 1,86 4,37 6,9 9,67 12,7 15,8 окна0 заперты С нащельными рейками, 0,56 1,76 2,97 4,27 5,58 7 не заперты Стальные Откидные в примышлен- 4,8 10 16,3 22,7 28,2 34,6 подъемные ных зданиях, щель окна из 1,5 мм7 прокатных Архитектурные выступа- 1,39 3,35 5,76 7,99 10,4 12,9 трофилен11 ющие, щель 0,2 мм8 Архитектурные выступа 1,85 4,83 8,18 10,8 14,1 16,9 ющие, щель 1,2 мм8 Створные в жилых зда- 0,57 1,67 3,06 4,37 5,58 6,88 ниях, щель 0,5 мм9 Створные в жилых зда- 1,30 2,97 4,83 7,06 9,3 11,9 ниях, щель 0,8 мм9

Тип окна	Замечания		Скорость	ветра, км/ч	‘
8 1	16	24	32	40	48
	Тяжелые выступающие створные навески, щель 0,5 мм10	0,28	0,93	1,67	2,41	3,34	4,46
	Тяжелые выступающие створные навески, щель 0,8 мм10	0,74	2,23	3,5	5,02	6,70	8,55
Вращающийся на вертикальной оси окопный переплет из полых меилличс ских профилей11	2,79	8,18	13,4	17,3	20,5	22,5

Из «Руководства по отоплению и кондиционированию воздуха, 1957 г»

1 Величины, приведенные в этой таблице, за исключением величин для раздвижных кон и окон из полых металлических профилей, на 20% ниже экспериментальных вели чин, чтобы учесть увеличение давления в помещениях, которые основаны па данных испытаний, сообщаемых в статьях в списке литературы к каждому разделу

2 Величины, приведенные для утечки через раму, даны на 1 м периметра переплета для раздвижных деревянных окон Определенная утечка через раму в каменных стенах возникает в самой кирпичной стене и не устраняется путем конопатки По дополнитель ной причине, что конопатка выполняется не очень качественно и разрушается с течени­ем времени, считается целесообразным выбирать величины утечки через раму в камен ной кладке как средние значения, определяемые испытаниями окон с законопаченными и незаконопаченными щелями

3 Пригонка среднего деревянного раздвижного окна определялась с щелью 1,5 мм и зазором 1,2 мм путем измерений примерно 600 окон в условиях отопительного сезона

4 Приведенные величины являются общими для оконного проема на 1 м периметра пе реплета и включают утечку через раму и так называемые другие утечки Величины утечки через раму даны для деревянных каркасных зданий, но могут также относиться к каменным зданиям при допущении 50% ной эффективности конопатки рамы

5 Щель 2,5 мм и такой же зазор свидетельствуют о плохо пригнанном окне, намного хуже среднего

6 Окна испытывались па месте строительства

7 Откидные окна обычно применяются в промышленных зданиях Форточки поворачи ваются вокруг горизонтальной оси, проходящей по центру или несколько выше

8 Архитектурные выступающие окна сделаны из тех же профилей, что и промышлен­ные откидные окна за исключением того, что наружный элемент переплета тяжелее и имеет лучшую отделку и атмосферостойкость Применяются в полумонументальных зда­ниях, например в школах Форточки открываются внутрь и наружу и уравновешены на боковых рычагах

Щель 0,8 мм получается при высоком качестве изготовления и монтажа, щель 1,2 мм получается при среднем качестве работ

9 Той же конструкции и из тех же профилен что и так называемое створное окно из тяо/селых профилей, но меньшей массы Щель 0 5 мм получается при высоком качестве изготовления н монтажа щель 0 8 мм считается типичной для среднего качества работ.

10 Выполнены из тяжелых профилей Форточки открываются внутрь или наружу, степень открытия может регулироваться Щель 0 4 мм получается при высоком качестве изготов ленпя и монтажа, щель 0 8 мм считается типичной для среднего качества работ

11 При достаточной тщательности монтажа утечка в местах контакта между рамами и стальными коробками и у средников является незначительной При щели 1,2 мм, харак­теризующей плохое качество монтажа, утечка в местах контакта со стальной коробкой составляет около одной трети, а у средников — около одной шестой величины, приведен­ной в таблице для откидных окон в промышленных зданиях ство; для помещении с тремя или четырьмя утечками восполь — зуйтссь длиной щели в степе, имеющей наибольшее их количест­во. Ни в коем случае не берите менее половины общей длины щели. Термин «разность температур» может использоваться в том же смысле, что и при расчете потерь вследствие теплопроводно­сти, учитывая наихудшее (расчетное) условие для потерь тепла или полную сезонную потерю тепла. Для наихудших условий при-

Рис 6 10 Диаграмма дополнительной стоимости энергии вследствие инфиль трации воздуха

І Пандите линию соответствующую известной q например 4 66 м/(м ч) 2 Следунте по этой линии до числа градусо днеп за сезон (например 4000) 3 Двигайтесь вверх по вер

тикали чтобы паити инфильтрацию воздуха через щели 4 Остановитесь у щели извест noil длины (например 9 м) 5 Двигаптесь вправо чтобы паити количество энергии про шедшей через всю длину трещины (46 10J кДж) 6 Остановитесь у стоимости энергии 6 долл/106 кДж 7 Двигайтесь вниз по вертикали чтобы найти общую сюимость энергии (например 26 75 долл/сезои) 8 Остановитесь у множителя (например будущая возрос шая стоимость топлива 10х) 9 Двигаптесь влево чтобы тптн реальную стоимость

энергии (например 270 долл/ссзоп) меняется наружная расчетная температура и средняя скорость ветра Полные сезонные потери тепла вследствие инфильтрации вычисляются путем замены разности температур общим количе­ством градусо-часов Отопительные градусо-дни умножаются на 24, чтобы получить общее количество градусо-часов

#сезоп = (q) (с) (d) (L) 24 град-час

Учет розы ветров дает возможность определить процент вре мени, в течение которого ветер дует в направлениях, принятых в расчетах

Диаграмма зависимости стоимости энергии от уровня тепло­вых потерь вследствие присоса воздуха рис 6 10) аналогична диаграмме рис 6 4 Начнем с точки (1) для скорости инфильтра-

Цйи воздуха 4,18 м3/(ч-м); далее: (2) следуем по наклонной ли­нии до горизонтали, представляющей общее число градусо-дней для данного местоположения; в этом случае 4000 град-дней; (3) движемся по вертикали от этой точки, чтобы найти, что 154 000 кДж расходуется за сезон на каждый фут (0,305 м) длины щели; (4) продолжаем движение по вертикали до наклонной линии известной длины щели, например 9,14 м; (5) движемся по горизонтали от этой точки, чтобы получить общие сезонные поте­ри тепла через оконную щель, 4 642 000 кДж; (5) продолжаем двигаться по горизонтали до наклонной линии, представляющей стоимость тепловой энергии на 1 млн. кДж (Ю6) в данном слу­чае 6 долл/106 кДж (воспользуйтесь рис. 6.3 для получения этой цифры); (7) двигаемся по вертикали вниз от этой точки, чтобы получить полную стоимость тепла, потерянного через щель за сезон, — 26,75 долл.

Как и в диаграмме стоимости энергии в зависимости от тепло­вого качества здания по теплопроводности (см. рис. 6.4), на нижнем правом графике показана «итоговая стоимость энергии» при различных «множителях». В этом примере использован мно­житель 10. Продолжая движение вниз от последней точки, пере­сечем наклонную линию, представляющую множитель 10. От точки пересечения двигаемся по горизонтали влево, чтобы полу­чить скорректированную стоимость отопления за сезон, ■— 270 долл.

Эту диаграмму можно использовать для быстрого расчета экономии в результате изменения инфильтрации воздуха. Напри­мер, если снабдить деревянную раздвижную оконную раму на — щельными рейками, то скорость инфильтрации воздуха умень­шится с 3,6 до 2,2 м3/(ч• м).

Двигаясь по диаграмме от исходной точки 1,4 м3/(ч-м), по­кажем, что можно получить экономию в результате уплотнения оконных щелей. Если число градусо-дней составляет 2800, длина щели 4,57 и расход 6 долл/106 кДж, мы получим экономию около 4 долл, за сезон без учета требований, предусмотренных множи­телями. Поскольку сделать нащельные рейки недорого, в этом случае они быстро себя окупят.

Радиация. По сравнению с тепловыми потерями вследствие теплопроводности и конвекцией сезонные радиационные потери практически невозможно определить, однако, к счастью, они со­ставляют сравнительно небольшую часть общих тепло-потерь. В приложении «Степень черноты и поглощательная способность материалов» кратко излагаются основные аспекты радиационных потерь. Особое внимание заслуживает применительно к солнеч­ному охлаждению концепция ночного радиационного охлажде­ния. В нормальных условиях до 95 Вт/м2 могут излучаться в про­хладную прозрачную атмосферу, если температура точки росы низка. В табл. 22 приводятся радиационные эффекты для гори­зонтальных зачерненных поверхностей в результате изменения

ip				Удельная влажность,	мм рт. ст.
<1> . В м	1	2	3	4	5	6	7	8	10	12	15
А М*
					Радиация, Вт/(м2-мин)
—20 — 15 -10	76,76 83,74 90,71	—									—
83,74		___ ___		_	__	___ _	_	Z	Z
—5	97,69	90,71	83,74	—	_	—	—	—	.—	—	—
0	104,67	97,69	90,71	83,74	—	—	—	—	—	—.	—
5	111,65	104,67	97,69	90,71	90.71	83,74	—	—	—	—	—.
10	118,62	111,65	104,67	97,69	97,69	90,71	83,74	76,76	—	—	—
15	—	118,62	111,65	104,67	104,67	97,69	90,71	83,74	76,76	69,78	—
20	—	—	118,62	111,65	111,65	104,67	97,69	90,71	83,74	76,76	—
25	—	—	—	118,62	118,62	111,65	104,67	97,69	90,71	83,74	69,8
30	—	—	—	—	125,6	118,62	111,65	104,67 97,69,	90,71	76,76

температуры наружного воздуха вблизи земли и удельной влаж­ности.

Дом Гарольда Хэя в Атаскадеро, шт. Калифорния, является наиболее показательным солнечным объектом, где используется это явление. Янагимачи, Блисс и Томасон также применяли си­стемы ночной радиации в своих солнечных объектах.

ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Трудно рассматривать тепловой режим зданий и проектиро­вать солнечное отопление без понимания природы тепла и как оно переносится из одного места в другое. Существуют два основных вида измерения теплоты: в количественном и качественном от­ношении. Показатель, с которым мы наиболее знакомы, т. е. тем­пература, относится к показателю качественному; если мы гово­рим о плавательном бассейне с температурой воды 20° С, мы не имеем в виду количество тепла в бассейне. Интуитивно мы пони­маем, что потребуется большое количество теплоты для повыше­ния температуры воды в бассейне до, например, 25° С и гораздо меньшее количество для нагрева чайника с водой на столько же градусов. «Качество» тепла в бассейне при 25° С такое же, что и в чайнике при той же температуре, но количество тепла зави­сит от массы нагреваемого материала. Таким образом, единица количества теплоты [10] определяется как количество теплоты, под­вод (или отвод) которого вызывает нагревание (или, соответст­венно, охлаждение) 1 кг воды при атмосферном давлении на 1 К. В качестве базисного материала используется вода, поскольку она общедоступна и стандартна.

Другой мерой теплоты, тесно связанной с температурой и ко­личеством теплоты, является теплоемкость или удельная тепло­емкость. Не все материалы поглощают одинаковое количество тепла при определенном повышении температуры. В то время как для нагрева 100 кг воды на 1° потребуется 418,3 кДж; для нагрева 100 кг алюминия на 1° —лишь 94,1 кДж. Удельная теплоемкость представляет собой отношение количества теплоты, необходимого для повышения температуры определенной массы данного материала на определенное число градусов, к количест­ву теплоты, необходимого для повышения температуры той же массы воды на то же число градусов. Это отношение одинаково для любой системы единиц измерения — метрической, английской или любой другой. Единицами могут быть кДж/(кг-град), кал/(г-град) или ккал/(кг-град). Удельные теплоемкости раз­личных материалов можно найти в приложении под тем же на­званием.

Значение всего этого, по крайней мере что касается зданий, заключается в том, что производство тепла стоит денег и требует ресурсов. Стоимость зависит от расхода тепла, который в свою очередь зависит от плотности потока тепловых потерь из здания во вне (зимой) или притока тепла из окружающей среды в зда­ние (летом). Величина теплового потока пропорциональна раз­ности температур между источником тепла и предметом или по­мещением, в которое оно поступает. Таким образом, тепло будет покидать здание быстрее в холодный день, чем в умеренный. Это, конечно, предполагает, что в здании применяются некоторые средства для поддержания постоянной температуры, например калорифер, отопитель или дровяная печь. Если плотность потока пропорциональна разности температур, то количество реально поступающего тепла зависит от величины сопротивления этому потоку. Поскольку разность температур между внутренним по­мещением и внешней средой в основном определяется климатиче­скими условиями, за исключением случаев искусственного пони­жения температуры внутри помещения, то очевидно, что основ­ные усилия затрачиваются на увеличение сопротивления потоку тепловых потерь. Механизмы теплового потока и методы созда­ния сопротивления ему многочисленны. Поэтому прежде чем перейти к рассмотрению теплового сопротивления, необходимо сделать обзор основных способов переноса тепла от теплого предмета к более холодному, а именно рассмотреть теплопровод­ность, конвекцию и радиацию.

Все мы узнаём о теплопроводности в раннем возрасте интуи­тивным, но непосредственным образом. Когда сковорода в тече­ние некоторого времени стоит на огне, ее ручка становится горячей. Это происходит потому, что тепло передается через металл от горелки плиты к ручке. Тепло поступает к ручке, пото­му что она намного холоднее горелки. Скорость перетока тепла к ручке чугунной сковороды значительно ниже, чем для медной сковороды, так как железо имеет меньший коэффициент тепло­проводности, т. е. обладает большим сопротивлением тепловому потоку, чем медь, и более высокую удельную теплоемкость, чем медь. Это значит, что потребуется меньшее количество теплоты для нагрева меди и меньше времени для нагрева всего металла, находящегося между горелкой и ручкой. Эти принципы являются основополагающими для расчета теплообмена за счет теплопро­водности.

Конвекция — это явление, состоящее в теплопередаче путем движения теплоносителей, т. е. жидкостей или газов. Нагретый теплоноситель может перемещаться или быть перемещаем в более холодную зону, где он отдаст свое тепло для нагрева этой зоны. Нагретая вода со дна чайника, стоящего на плите, поднимается вверх и смешивается там с более холодной водой, распространяя тепло и нагревая всю массу намного быстрее, чем это происходи­ло бы только за счет теплопроводности

Жилой дом, оборудованный калорифером, обогревается таким же способом. Воздух нагревается в газовой горелке и подается в жилые помещения Поскольку предметы в доме холоднее, чем горячий воздух, поступающий из горелки, тепло от воздуха пере­дается помещению

Нагретые теплоносители могут перемещаться путем естест­венной конвекции При нагреве теплоноситель расширяется, рас­пространяется в окружающей его более холодной среде и под­нимается вверх. Более холодный теплоноситель занимает его место и в свою очередь нагревается В то же время нагретый теплоноситель перемещается затем в место, где тепло поглоща­ется, охлаждая теплоноситель. Охлажденный таким образом теп­лоноситель, становясь тяжелее, стремится опуститься вниз, и цикл повторяется. Если мы хотим лучше использовать запасен­ное в теплоносителе тепло или если мы хотим повысить интенсив­ность переноса тепла по сравнению с естественной конвекцией (например, в помещении, удаленном от калорифера), то для пе­ремещения нагретого теплоносителя можно воспользоваться на сосом или вентилятором Следует отметить, что конвекция и теп­лопроводность как физические явления проявляются одновре­менно. Тепло от нагретой поверхности передается теплоносителю в результате теплопроводности до того, как это тепло будет уне­сено потоком, тепло от нагретого теплоносителя также передается холодной поверхности теплопроводностью. Чем больше разность температур между теплой и холодной поверхностями, тем боль­ше тепловой поток между ними. Удельная теплоемкость теплоно­сителя, его коэффициент теплопроводности и сопротивление по­току теплоносителя являются другими факторами, влияющими на конвективный теплообмен

Радиация представляет собой перенос тепла через простран­ство при помощи электромагнитных волн; большинство предме­тов, которые стоят на пути видимого света, также препятствуют распространению тепловой энергии в виде излучения Как мы знаем, земля получает тепло от солнца путем радиации. Мы так­же участвуем в радиационном теплообмене, когда стоим перед камином или горячей плитой. Радиация тепла осуществляется главным образом за счет невидимого длинноволнового излуче­ния Мы почувствуем излучение тепла горячей плитой, даже если она недостаточно горяча и не нагрета до свечения. Тепло постоянно переносится излучением от более теплых предметов к более холодным (пока они «видны» друг другу) пропорциональ­но разности их температур и расстоянию между ними Тот же эффект, хотя менее явный и труднее воспринимаемый, получа­ется, когда, сидя у окна зимней ночью, мы ощущаем холод’ как источник тепла наше тело излучает его в холодную ночную ат­

Отдельно стоящий коллектор представляет собой устройство, размещенное отдельно от здания, которое оно обслуживает. В широком смысле это понятие включает коллекторы, которые связаны со зданиями, но не встроены в их ограждающие кон­струкции (крышу или стены). К этому типу обычно относятся солнечные водонагреватели. Однако термин «отдельно стоящие коллекторы» будет обозначать главным образом те коллекторы, которые используются для отопления и охлаждения зданий и которые смонтированы на конструкциях, не связанных с обслу­живаемыми ими зданиями.

Отдельно стоящие коллекторы часто устанавливают, когда существующее здание реконструируется для использования сол­нечной энергии. К сожалению, конструкции многих зданий не­пригодны для установки солнечного коллектора, так как не име­ют подходящей формы крыши или стены, к которым можно было бы его прикрепить; многие здания затенены или имеют непра­вильную ориентацию. Доновэн и Блисс применили отдельно стоящий коллектор в своем первом солнечном доме «Дезерт Грасслэнд Стейшн» в Амадо, шт. Аризона. Применение отдельно стоящей конструкции позволило создать коллектор с размерами, достаточными для 100%-ного теплоснабжения дома за счет сол­нечной энергии.

Можно привести несколько свежих примеров отдельно стоя­щих сооружений. Национальный научный фонд выступил ини­циатором переоборудования пяти школьных зданий. Для двух из них — средней школы округа Фокьер в Уоррентоне, шт. Вир­гиния, и младших классов средней школы «Норт-Вью» в Оссео, шт. Миннесота — были построены отдельно стоящие коллекторы. Сооружение в Уоррентоне достаточно велико, чтобы обеспечить место для аккумулятора и раздевалок для занятий физкульту­рой.

По контракту с ВМФ США Джерри Планкетт из фирмы «Ма- тириэл консалтантс, инк.», Денвер, шт. Колорадо, спроектировал и построил солнечную отопительную систему стоимостью 15 000 долл, для двух существующих жилых домов в Хоторне, шт. Невада (рис. 5.111). Каждый из двух коллекторов смонти­рован на своих собственных опорных конструкциях во дворе, отдельно от домов. Коллекторы, размером каждый 4,6×13,7 м, имеют наклон в 55° к горизонтали. Два слоя из прозрачной плен­ки «Милар» покрывают зачерненную теплопоглощающую по­верхность из проволочной сетки; воздух проходит через сетку и нагревается. Тепло передается воде через теплообменники и аккумулируется в двух баках емкостью до 8 м3 каждый, из кото­рых оно обратно передается воздуху в помещении при помощи калорифера с принудительной подачей воздуха.

Отдельно стоящие коллекторы применяются также и в новом строительстве. Коллектор площадью 420 м2 для жилищного объекта «Грасси Брук Вилледж» в шт. Вермонт обслуживает десять квартирных комплексов. Коллектор был построен отдель­но от домов по нескольким причинам: обеспечение свободы ар­хитектурного решения; возможность устройства оконных прое­мов в южных стенах домов для прямого использования солнеч­ной энергии; гибкость в определении параметров и конструктив­ном решении системы солнечного теплоснабжения.

Главным недостатком отдельной конструкции является стои­мость ее возведения, особенно, если она предназначена только для коллектора. Ее стоимость становится еще выше, если ее приходится приподнимать над землей во избежание занесения снегом, а в этом случае она высоко выступает вверх наподобие гигантского паруса, подвергаясь большим ветровым нагрузкам. Коллектор должен устанавливаться как можно ближе к земле сообразно снеговому покрову и должен быть недоступен для по­сторонних (но доступен для обслуживания и ремонта). Общая площадь отдельных коллекторов должна быть небольшой для уменьшения парусности.

В некоторых случаях, особенно в городах и пригородах, вы­сокая стоимость участков земли может быть причиной еще од­них крупных расходов. Однако поскольку коллектор не является частью ограждающей конструкции здания, соединения отдель­ных панелей необязательно должны быть герметичными, благо­даря чему снижается стоимость строительства. Например, дета­ли крепления прозрачного покрытия имеют уже меньшее значе­ние, что может дать возможную экономию.

Общий КПД системы с отдельно стоящим коллектром будет, по-видимому, несколько меньше, чем у сопоставимой системы, коллектор которой установлен на крыше или прикреплен к стене. В трубах или воздуховодах, соединяющих коллектор и здание, будут иметь место потери тепла. Эти теплоподводящие линии имеют немалую стоимость, поэтому коллектор должен разме­щаться как можно ближе к зданию. Потеря тепла с тыльной стороны коллектора (который, несмотря на наличие изоляции, все равно теряет значительное количество тепла) будет больше, потому что эта сторона открыта для обдува прохладным наруж­ным воздухом, тогда как в помещении эта поверхность имеет контакт со сравнительно теплым воздухом. Кроме того, в этом случае тепло теряется не в помещение, а наружу. При этом от­дельно стоящий коллектор ничего не добавляет к общей тепло­изолирующей способности фасада здания.

Однако в рассматриваемой компоновке есть и преимущест­ва. Отдельно стоящая конструкция дает возможность построить коллектор, который по размерам может быть намного больше коллектора, устанавливаемого на здании. Также обеспечивается большая свобода в архитектурном решении здания. По сути дела, южный фасад здания можно использовать как коллектор тепла (путем использования окон и термосифонных солнечных коллекторных панелей). Во многих проектных программах не всегда допускается использование южных фасадов в качестве солнечных коллекторов или даже окон. Действительно, многие стройплощадки могут не иметь достаточной инсоляции, чтобы иметь возможность встраивать коллекторы в здание. Например, цлощадка может быть затенена большими деревьями, соседними зданиями и сооружениями или же площадка может находиться на невыгодном северном, восточном или западном склонах.

Отдельно стоящий коллектор также обеспечивает большую свободу конструктивного решения. Он дает возможность приме­нять новаторские конструкции, например надувные и фокусиру­ющие устройства. Отдельно стоящая конструкция дает возмож­ность создать коллектор, который («следит» за Солнцем, т. е. меняет свою ориентацию и угол наклона: коллектор можно смон­тировать на конструкции, которая поворачивается либо автома­тически, либо вручную по мере движения Солнца по небосводу. Сам коллектор может быть установлен таким образом, что будет изменять свой угол наклона автоматически или вручную при вос­ходе или закате Солнца на небосклоне, или же в зависимости от времени года, когда Солнце перемещается низко над линией го­ризонта (зимой) или высоко (летом). Коллектор можно также устанавливать вертикально или даже с обратным наклоном с тем, чтобы он затенял сам себя с тем, чтобы уменьшить темпе­ратурное напряжение, когда он находится в нерабочем режиме. Поворотные коллекторы и автоматические следящие устройства, естественно, значительно удорожают систему по сравнению с применением обычных коллекторов.

До сих пор компоненты системы солнечного кондиционирова­ния помещений рассматривались по отдельности; следующим логическим шагом будет объединение их в систему. Многие пре­дыдущие упоминания системного интегрирования позволят сократить настоящее обсуждение; во всяком случае, более слож­ные вопросы режимов работы систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха следует отдать на усмотрение инже — нерам-механикам, которые смогут принять проектные решения в соответствии со специфическими требованиями объекта.

Сложность конструкции системы солнечного кондициониро­вания помещений зависит от следующих факторов: профессионального уровня проектировщика; разработки и внедрения нового оборудования; уровня и качества комфорта, которые требует потребитель; числа функциональных задач, которые должна выполнять система;

размера объектов;

величин среднего КПД системы, которые должны быть до­стигнуты.

Простейшие области применения солнечной энергии были рассмотрены выше. Обращенное на юг окно в сочетании с тепло­вой массой здания и изолирующими ставнями является потен­циально самой простой и в то же время наиболее удобной систе­мой солнечного отопления. Также несложными являются термо­сифонные воздушные коллекторы или солнечные водонагрева­тели. В ту же категорию попадают «Скайтерм» Гарольда Хэя, стена из цилиндров Стива Баэра и бетонная стена Тромба-Миче — ла. Простые системы необязательно наиболее эффективные (хотя нередко они достаточно эффективны), но вполне вероятно, что при продолжительном сроке службы они требуют меньшего расхода строительных материалов и меньше энергии для своего возведения, эксплуатации и ремонта.

Помимо вышеприведенных примеров простейшая система солнечного отопления использует коллекторы, которые работа­ют только во время солнечного сияния и когда здание нуждает­ся в тепле. Такие коллекторы можно на зиму устанавливать на открытых площадках около дома, а летом демонтировать. Их можно прикреплять к стенам и крышам существующих зданий. В любом случае воздух из зданий подается в коллектор, нагре­вается солнечными лучами и — затем поступает снова в помеще­ние. Вентилятор включается по сигналу разности двух темпера­тур. В процессе работы системы посылающий этот сигнал датчик определяет, светит ли солнце и достаточно ли нагрет коллектор, чтобы нагреть воздух до нужной температуры; второй прибор определяет, нуждается ли помещение в тепле или нет. Этот чув­ствительный прибор должен быть настроен на верхний предел термостата, поскольку солнечное тепло с воздухом должно по­ступать в помещение тогда, когда его температура достигнет такого уровня, чтобы воспользоваться преимуществом исполь­зования энергии солнца, когда оно светит (естественно, этот процесс может осуществляться вручную путем простого включе­ния или выключения вентилятора). Поскольку в этом режиме работы не предусматривается аккумулятор тепла для его даль­нейшего использования, то здание должно действовать как кон­тейнер теплоаккумулятора. Таким образом, оно должно нагре­ваться до такой температуры, которую могут выдержать нахо­дящиеся в нем люди. Чем массивнее здание, тем больше тепла оно может запасти, тем дольше оно может обходиться без тепла после захода солнца или появления облачности п тем выше бу­дет общий КПД этой простой системы. Покрытые землей и под­земные здания с изоляцией, находящейся между бетоном и грунтом, очень близки к этим простым системам, поскольку мас­сивные бетонные конструкции хорошо аккумулируют тепло.

Система следующего уровня сложности накапливает солнеч­ное тепло в теплоаккумуляторе. Если помещение нуждается в тепле, хотя солнечная энергия на здание поступает, то включа­ется накопившая тепло отопительная система. Однако в идеале приток солнечного тепла через окна должен удовлетворить по­требность в отоплении и во время работы коллектора. Дублиру­ющая отопительная система совершенно отделена от системы сбора и распределения солнечного тепла в целях упрощения всего комплекса. Когда солнца нет и аккумулятор «заряжен», потребность дома в тепле удовлетворяется в первую очередь за счет солнечного аккумулятора. Если этого недостаточно, то включается дублирующая система отопления. На рис. 5.102 кратко описываются четыре режима работы воздушной системы отопления. Элемент, обозначенный как «отопитель», независим от системы солнечного отопления и может работать на жидком топливе, газе, электричестве, дровах или любом другом топливе.

Система усложняется по мере того, как предпринимаются попытки объединить все элементы. Например, в больших уста­новках в целом нежелательно иметь две отдельные системы под­вода тепла: одну для солнечного тепла, а другую для дублирую­щего. Объединение этих двух в одну систему воздуховодов (на­пример, для систем принудительной подачи теплого воздуха) требует установки демпферов и вызывает другие сложности с управлением, но в конечном счете может снизить стоимость ис­пользуемой тепловой энергии.

На рис. 5.103 приведен пример отдельной системы подвода тепла с воздухом в качестве теплоносителя. Если через 10 мин после начала работы температура аккумулятора не достигает заданной термостатом величины, то включается отопитель. При работе коллекторов нагретый воздух поступает только в акку­мулятор, если в нем не нуждается само здание.

Различные заслонки и демпферы, устанавливающие разные режимы работы, часто располагаются вблизи друг от друга и подвержены давлению, создаваемому вентиляторами. Поэтому они должны быть сконструированы таким образом, чтобы дав­ление воздуха заставляло их плотно закрываться во избежание утечки воздуха.

Главным образом из-за их стоимости и необходимости в уп­рощении работы количество воздуховодов, заслонок и их при­водных механизмов должно быть как можно меньше. Следует рассчитывать кинематику каждой заслонки так, что когда в оп­ределенном режиме работы системы требуется ее закрыть или открыть, то движение воздуха, создаваемое вентилятором в дан­ном режиме, соответственно приводило бы ее в движение. Одна­ко если для привода заслонок требуются механизмы, то они должны располагаться рядом, для того чтобы один механизм приводил в действие несколько заслонок одновременно. Это обычно означает, что некоторые воздуховоды должны проходить рядом в местах расположения заслонок, а они в свою очередь должны размещаться в линию, чтобы поворачиваться вокруг одной їй той же оси. Привод заслонок может открывать один воз­духовод и одновременно перекрывать другой.

Как уже говорилось выше, жидкостные системы отопления домов на одну семью обычно не столь эффективны по стоимости, как воздушные. Однако с увеличением размеров объектов и ро­стом потребности в солнечном абсорбционном охлаждении выбор жидкостных систем становится более предпочтительным. Кроме

Рис 5 102 Различные режимы работы простой воздушной системы отопления а — коллектор нагревает аккумулятор, б — аккумулятор нагревает помещение в — ото помещение солнце отсутствует, тепло не аккумулируется 1 — жилое помещение, 2 — светит солнце коллектор горячее аккумулятора В — аккумулятор — здание — аккумуля теплее помещения С — Коллектор подводит тепло к аккумулятору (солнце светит) И П0- ляторе недостаточно тепла

того, легче объединить водяное отопление с жидкостной систе­мой, чем с воздушйой

На рис. 5 104 представлена упрощенная схема такой жидко­стной системы Показано два альтернативных метода отопления помещений В первой системе отопления горячая жидкость цир­кулирует непосредственно через здание; в системе воздушного отопления охлажденный воздух прокачивается из помещения через теплообменник, по змеевикам которого циркулирует нагре­тая солнцем жидкость

Следующая система (рис 5 105) кроме основных функций подогревает также воду для хозяйственных нужд, прежде чем она поступает в обычный водонагреватель. На рис. 5.106 в схему

добавлено солнечное абсорбционное кондиционирование возду­ха Холодная жидкость циркулирует по змеевикам теплообмен­ника, а теплый, поступающий из здания воздух, обтекая их, ох­лаждается Избыточное тепло от оборудования отводится через градирню

Если бы солнечное кондиционирование помещений было бы в реальной практике столь же простым, как и на этих схемах, то его давно приняли бы на вооружение, и оно бы гораздо быст­рее получило распространение, чем это происходит сейчас К сожалению, на этих схемах не показаны многочисленные кла­паны, системы управления, теплообменники, насосы, вентилято­ры, трубы, воздуховоды н расширительные баки, необходимые
для различных режимов работы. Например, рис. 5.107 взят из очень хорошей, тщательно продуманной статьи [42] о проекте дома IV Массачусетского технологического института в 1959 г. Многочисленные теплопередающне контуры, клапаны, теплооб­менники и органы управления подробно обсуждаются в статье.

Если в здании установить фотоэлементы, то схема системы станет похожей на рис. 5.108, где изображена схема солнечного дома Института по экономии энергии при университете шт. Де­лавэр. Во многих подобных проектах можно также использовать и энергию ветра.

Пора сказать и о теплообменниках и системах управления. Согласно Даффи и Бекману, теплообменник повышает рабочую температуру коллектора па величину, соответствующую перепа­ду температуры па теплообменнике. Примерно на каждый гра­дус К перепада температуры через теплообменник полезная теплоотдача коллектора уменьшается на 1—2%. Чем меньше теплообменников в системе, тем лучше рабочие характеристики коллектора (или тем меньше требуемая площадь коллектора).

Рис. 5.103. Система солнечного отопления для дома «Денвер дизайн» [26] 1 — теплораспределительный канал; 2 — водонагревательный змеевик; 3 — бак с горячей водой; 4 — демпферы Л и В, 5 — опорный экран; 6 — вспомогательный нагреватель; 7 — мотор вентилятора; 8 — насадка аккумулятора, 9—гравий (до 38 мм), 10 — тепло из аккумулятора, 11, 18 — под полом; 12 — аккумулированное тепло, 13 — фильтры; 14—ма­гистраль юрячего воздуха; 15 — коллектор, /6 — стояк; 17 — возврат холодного воздуха

Рис. 5.104. Схема трубопроводов для солнечного отопления помещений 1 — солнечный коллектор; 2 — бак-аккумулятор; 3— вспомогательный вентилятор; 4 —к отопительной системе; 5 — теплый воздух; 6 — альтернативные способы отопления: 7 — вспомогательный источник тепла; 8 — изоляция; 9 — теплообменник; 10 — насос; И— на­гревательный или охлаждающий змеевик; 12 — вентилятор; 13 — фильтры; 14 — регули­рующий клапан

————	¥	Ш 7

Рис. 5.105. Схема комбинированной системы солнечного отопления н горячего водоснабжения

1 — солнечный коллектор; 2 — бак-аккумулятор; 3 — вспомогательный нагреватель; 4 — горячая вода; 5 — холодная вода; 6 — к отопительной системе; 7 —теплый воздух: 8 — альтернативные способы отопления

Рис 5 106 Схема комбинированной системы солнечного отопления, кондицио­нирования воздуха и горячего водоснабжения 1 — солнечный коллектор, 2 — бак аккумулятор, 3 — вспомогательный нагреватель 4 — горячая вода 5 — абсорбционный кондиционер 6 — градирня, 7 — холодная вода 8 — к отопительной системе, 9 — теплый воздух, 10 — альтернативные способы отопления 11 — вспомогательный источник тепла, 12 — изоляция, 13 — теплообменник, 14 — насос 15 — нагревательный или охлаждающий змеевик, 16 — вентилятор, 17 — фильтры, 18 — регу лирующий клапан

Система управления, необходимая для подвода тепла или прохлады к зданию из коллектора, теплоаккумулятора и дубли­рующей системы отопления (или охлаждения), определяется конечными энергетическими потребностями здания. Вообще го­воря, термостат, сигнализирующий о необходимости подачи теп­ла из аккумулятора, может работать на другом температурном уровне по сравнению с обычным термостатом, который включает подвод тепла из дублирующей системы. Например, солнечный термостат можно установить на 21° С, а стандартный термо­стат— на 18,5° С. Если теплоаккумулятор не может поддержи­вать температуру на уровне 2ГС, то включается дублирующая система при падении температуры до 18,5° С. В других случаях отдельный термостат может сам вводить в действие дублирую­щую систему, если в аккумулирующем устройстве не предусмо­трены средства для поддержания температуры.

Управление работой коллектора сравнительно несложно, а обслуживание доступно Как для воздушных, так и для жидкост­ных систем влияние солнечной радиации на температуру кол­лектора можно измерить непосредственно на поверхности теп­лоприемника или на поверхности, аналогичной по своим тепло­вым характеристикам. Другой термочувствительный элемент должен находиться на выходе из аккумулирующего устройства Обычно насос коллектора включается, когда температура-кол­лектора примерно на 3°С превышает температуру аккумуляю-

Рис 5 І07 Отопительная система для дома IV МТИ

1 — контур, включающий коллектор и насос, который работает в периоды солнечного сияния 2 — контур теплообменника насоса и вентиля с электроприводом который кон тролируется термостатом, размещенным в доме 3 — контур вспомогательного нагрева­теля, поток путем естественной циркуляции зимой нагреватель поддерживает темпера­туру бака аккумулятора вместимостью 1050 л в пределах от 57 до 65° С летом нагрева­тель отключен, 4 — контур горячего водоснабжения летом в контур вводится с помощью байпаса нагревательный змеевик в большом баке, 5 — змеевик испарителя (фреон) в холодильнике на 3/4 т, используемого только летом [40], 6 — насос коллектора 7 — до полнительный нагреватель, 8 — обратный клапан 9 — горячая вода, 10 — водоснабжение для дома, холодная вода, 11 — солнечный коллектор площадью 56 м2 12—15 декабря, 13 — 15 июня, 14 — расширительный бак вместимостью до 190 л 15 — теплообменник 16 — воздух, 17 — насос теплообменника, 18 — температура в помещении не более 22° С 19 — контролируемый вентиль с электроприводом VI, 20 — температура в помещении выше 22° С, 21 — бак вместимостью 5700 л, 22 — то же. 1050 л

Рис 5 108 Поперечный разрез сол­нечного дома при университете шт Делавэр, в котором сочетается выра­ботка электроэнергии с помощью фо тоэлементов с солнечным отоплением помещении [331

1—тепло, 2 — электричество 3 — комму­нальная электросеть, 4 — вентилятор. 5 — плита 6 — освещение, 7 — обогреватель 8 — преобразователь постоянного тока в переменный 9 — аккумуляторная батарея, 10 — вспомогательный нагреватель 11 — теплообменник 12 — тепловой аккумуля тор а —основной, б — вспомогательный, 13 — тепловой насос, А — стационарное оборудование постоянного и переменного тока, Б — жилое помещение

Рис 5 1(H) Система угтрабленйя coM&t* ной установкой

1 — датчик в коллекторе 2 — насос или вентилятор, 3 — датчик в тепловом акку муляторе 4 — дифференциальное термо чувствительное реле, 5 *— ручной выклю чатель

ра; для воздушных систем эта разность температур, при которой включается вентилятор, может со­ставить 11° С Задержка по време­ни 5 мин должна учитываться ор­ганами управления, чтобы не до­пустить включения и выключения системы при периодическом сия­нии После того как система начала работать, другая вре­менная задержка гарантирует, что система не отключится, как только теплоноситель из аккумулятора охладит теплоприем­ник не менее чем на 3° С ниже температуры аккумулятора. На рис 5 109 дана основная схема включения дифференциального термочувствительного реле В жидкостных системах может по­требоваться также выключатель, реагирующий на верхий предел температуры и предупреждающий повышение давления жидко­сти в трубах до неконтролируемого уровня

Важнейшим в решении трудной задачи оптимизации кон­струкции системы солнечного отопления является сравнение рабочих характеристик и стоимости. Эффективность работы си­стемы измеряется количеством энергии, которое система может выработать, или же что то же самое — сэкономить при сравне­нии с традиционным вариантом в течение года; сравнение затрат производится по стоимости этой энергии и дополнительным рас­ходам, связанным с получением этой энергии

Рабочие характеристики нескольких систем солнечного теп­лоснабжения приведены в таблицах и на рис. 5 ПО. Первая таб­лица относится к дому д-ра Лефа, построенному в 1945 г в Боул­дере, шт. Колорадо. За первый сезон работы коллектор общей площадью 43 м2 сэкономил около 2Ы06 кДж Вероятно, что усовершенствование установки п большая равномерность ее ра­боты способствовали бы значительно большей экономии, воз­можно, до 851 800 кДж/м2 коллектора за сезон Доктор Леф определил свои затраты в то время в размере 10,7 долл за 1 м2 коллектора.

В табл. 18 приведены рабочие характеристики и эксплуата­ционные расходы для системы солнечного отопления помещений дома Доновэн и Блисса на «Дезерт Грасслэнд Стейшн», постро­енного в 1954 г. Они установили, что коллектор воздушного типа площадью около 30 м2 может экономить более 14,8 -106 кДж в

Затраты на злекіроаперіию для рабош отопительной системы зимой со стазляюі 14,3 долл, расчетная стоимосіь электроэнериш без использования солнечной установки равна 9,6 долл

Таблица 18 Характеристики и эксплуатационные расходы для системы отопления на объекте «Дезерт Грасслэнд Стейшн» (начало работы в 1955 г.) [5] 21 янва — ра —20 февраля 21 фев раля — 20 марта 21 мар­та— 20 ап­реля Всего за 3 мес Полная стоимость за зимний сезон (пример­но) 1 2 3 4 5 6 Градусо-дни 513 288 162 963 1800 Тепло, поступающее в дом от отопительной системы (2,3 кВт-ч на 1 град-день), Потребление электроэнер­гии отопительной системой- 1182 663 372 2217 4140 вентиляторы и органы управления, кВт-ч 139 93 84 316 600 вспомогательное отопле­ние, кВт-ч 0 0 0 0 0 Эксплуатационные расходы (2 цента за кВт-ч), долл Ориентировочные эксплу­атационные расходы на сравнимую систему, работа­ющую на бутане: 2,78 1,86 1,68 6,32 12,00 арендная плата за ре­зервуар (за 6 мес лет­няя плата взимается за цругие приборы) — 12,00 долл вентилятор отопителя и органы управления (2 кВт-ч в день) — 7,20 долл бутан 1134 л, при 20 центах 3,8 л — 60,00 долл. 79,20

на работу насосов, компрессора, органов управления и вентиля­торов. В табл. 19 приведены некоторые эксплуатационные харак­теристики этой системы. Также в течение отопительного сезона 1959/60 гг. коллектор жидкостного типа площадью 60 м2 дома IV Массачусетского технологического института собрал более 40 млн. кДж тепловой энергии на отопление, а на приготовление горячей воды —около 34,5 млн. кДж. За десять лет до этого дом III МТИ получал 680—800 тыс. кДж с 1 м2 коллектора за сезон по сравнению с 630 тыс. кДж для этого дома. На рис. 5.111 сведены эксплуатационные данные коллектора.

Об экономике систем солнечного теплоснабжения. Из дейст­вительного количества энергии, сэкономленного ранее построен­ными системами, следует, что особую осторожность нужно про­являть при определении параметров системы, так чтобы первона-

° к 0« * £ s = СУ м ^ «Те * ? Ї О Л s л я щ су ж в.

чальная стоимость 1 м2 коллектора не была непомерно высока При проектировании обычной системы отопления инженеру не требуется соблюдать особую точность при определении ее раз­меров и первоначальной стоимости, потому что наиболее значи­

тельную часть в постоянных годовых затратах занимает стои­мость топлива. К сожалению, система солнечного отопления не снабжает бесплатным теплом; первоначальные капиталовложе­ния довольно высоки и зависят от количества составных частей системы и конструктивных вариантов каждого элемента.

Несмотря на быстрорастущие цены на топливо, стоимость строительства сложной солнечной энергетической системы явля­ется одним из факторов, препятствующих ее широкому распро­странению. Вообще говоря, чем сложнее система, тем она доро­же. Обычно, но не всегда, повышение общего сезонного КПД сопровождает увеличение стоимости. Этот КПД здесь определя­ется как отношение уловленной и использованной солнечной энергии к полной инсоляции коллектора.

Сезонный КПД в 60% считается исключительным и требует в результате инженерного расчета такого оборудования, приме­нение которого доводит стоимость системы в расчете на 1 м2 коллектора до 270—430 долл (затраты на всю систему солнеч­ного теплоснабжения сверх стоимости обычной системы) Такая конструкция может сэкономить 2 839 000 кДж на 1 м2 коллектора в год при допущении его круглогодичного использования п пра­вильности расчета с учетом климата

Общий КПД в 50% является отличным; при этом стоимость, приведенная на 1 м2 коллектора, будет на 5—10 долл, ниже, чем
в случае исключительной системы. КПД в 40% является дости­жимым и, по-видимому, типичен для большинства объектов, по­строенных в 70-е годы. Стоимость этих систем составляет от 160 до 270 долл, на 1 м2 коллектора. КПД в 30% несколько меньше, чем у дома IV МТИ в 1959 г., — сравнительно легко достижим. Стоимость таких систем может составить 110—220 долл, на 1м2 коллектора.

Вертикальный комбинированный коллектор-аккумулятор ра­ботает с общим сезонным КПД в 25—50%. Стоимость его за 1 м2 составляет на 50—130 долл, больше стоимости заменяемой им стены. Характеристики окон меняются в широких пределах, но можно добиться экономии более 1 млн. кДж на 1 м2 поверх­ности при применении правильно сконструированных изолирую­щих ставней.

Ни одно обсуждение затрат на солнечную энергию не может быть полным без упоминания огромной работы, проделанной на ЭВМ д-ром Джорджем Лёфом и д-ром Ричардом Тибу. Резуль­таты их работы хорошо отражены в литературе [28, 29] и заслу­живают внимания любого, кто серьезно заинтересован в стои­мостных сравнениях. В табл. 20 в сжатом виде приведены ре­зультаты исследований, в которых сравнивалась стоимость сол­нечного отопления и охлаждения со стоимостью альтернативных видов топлива по восьми разным городам США.

Рис. 5.111. Отдельно стоящие солнечные коллекторы для отопления жилых домов на базовом складе ВМФ США, Хоторн, шт. Невада, 1974 г. (проект солнечной установки Джерри Планкетта, президента фирмы «Матириэлс кон — салтантс»)

Таблица 20. Расчет солнечного отопления и охлаждений для экономически оптимальных режимов [29] Город Площадь коллек­тора, м2 Аккумулятор, -2 кг • м % нагрузки, обеспечиваемой солнечной энергией Совокупная стои­мость, долл/(10е — кДж) Совокупная стои­мость, долл /100 кВт-ч количест­во покры­тий охлажде­ ние отопле­ ние СЗ ь 0> а­о [8]- ° я са я Альбукерке 48,4 48,8 2 56 73 63 1,82 0,59 Майами 96,7 48,8 3 58 100 60 2,25 0,73 Чарльстон 96,7 48,8 3 63 92 68 2,60 0,84 Финикс 96,7 48,8 3 29* 100 ЗЗ* 1,80 0,58 Омаха 96,7 48,8 2 57 60 59 2,61 0,85 Бостон 96,7 73,2 2 66 64 65 3,24 1,05 Санта-Мария[9] 24,2 48,8 2 27 64 52 2,58 0,84 Сиэтл** 48,4 73,2 2 39 44 43 3,99 1,29

Наклон коллектора равен широте (за исключением Майами, где широта 10°). Оптимальный критерий — солнечное тепло при наименьших издержках для комбинированного использования, в том числе для приготовления горячей воды. Стоимость коллектора 21,50 долл/м2.

Стоимость аккумулятора 11 центов на 1 кг воды.

Другие постоянные расходы 375 долл, за систему.

Кондиционер стоит на 1000 долл, дороже обычного.

Коэффициент эффективности абсорбционного охладителя 0,6.

Амортизация за 20 лет—8% годовых.

Потребность в отоплении большого дома равна 0,55 (/а=18) кВт-|-0,305 кВт на нагрев воды.

терес представляют их выводы относительно размеров коллекто­ра в зависимости от процента отопительной нагрузки, обеспечи­ваемой солнечной энергией. Для домов с одинаковыми тепловы­ми характеристиками (потеря тепла 26 375 кДж на 1 град-день) коллекторы одного размера обеспечили 70% потребности в Фи­никсе, пп. Аризона, п 55% в Чарльстоне, шт. Южная Каролина. Коллектор увеличенного на 65% размера обеспечил только 40% отопительной нагрузки в Бостоне.

Моделирование при помощи ЭВМ. Большой шпсрес при рас­чете экономит энергии за счет использования солнечной энергии представляет применение ЭВМ для моделирования влияния различных расчетных параметров. Сложная природа постоянно меняющейся погоды наряду с увеличением сложности систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в зданиях заставила обратиться к разработке программ для ЭВМ в обла­сти процессов моделирования.

Работа по анализу издержек, выполненная Тибу и Лёфом, была среди первых по интенсивному использованию машинного моделирования в области использования солнечной энергии. С тех пор использование ЭВМ значительно возросло: работа выполняется многими организациями, в том числе университетом шт. Висконсин (программа TRNSYS), университетом шт. Коло­радо (программа SIMSHAC), Национальным бюро стандартов, университетом шт. Пенсильвания, фирмой «Ханиуэлл» и НАСА. Постоянно составляются новые, более совершенные программы. Наиболее полное рассмотрение применения ЭВМ в области сол­нечной энергии в 1974 г. приводится в статье Дж. Л. Уилсона, опубликованной в январском номере журнала «ASHRAE Journals за 1975 г. [44].

Почти все крупные здания, использующие солнечную энер­гию, проектируются и строятся в настоящее время с предвари­тельным машинным моделированием. Несколько жилых домов также подвергаются моделированию для получения реальных технических характеристик с целью их сравнения с характери­стиками, выданными ЭВМ.

Хотя основной упор в данной книге делается на отопление, некоторого обсуждения заслуживает и солнечное охлаждение. Охлаждение зданий занимает лишь небольшую часть в нашем национальном потреблении энергии. Действительно, энергия, расходуемая на кондиционирование воздуха в жилых зданиях, составляет около одной десятой от энергии, идущей на отопле­ние помещений. Тем не менее спрос на энергию охлаждения возрастает гораздо более высокими темпами, чем на отопление. Потребность в энергии на охлаждение также до некоторой сте­пени носит региональный характер; так, например, в некоторых районах, скажем на юго-западе страны, на охлаждение идет больше энергии, чем на отопление.

Солнечное охлаждение имеет некоторые свойственные ему преимущества перед солнечным отоплением. Потребность в ох­лаждении больше совпадает по фазе с периодом поступления солнечной радиации в течение как года, так и суток. Поскольку уровень солнечной радиации является определяющим фактором, влияющим на величину температуры наружного воздуха, очевид­но, что самое теплое время года обычно наступает в период наи­большей интенсивности солнечной радиации. Аналогично в мас­штабе суток часы наступления наиболее высоких температур близко соответствуют времени, когда имеет место самый высо­кий уровень солнечной радиации.

Другие факторы, такие, как ветер и влажность (и внутренняя тепловая нагрузка здания), также оказывают влияние на требо­вания к охлаждению и могут изменить корреляцию между интенсивностью солнечной радиации и потребностью в охлажде­нии. Обычно системы солнечного охлаждения рассчитываются с допущением, что пиковые тепловые нагрузки при охлаждении необязательно соответствуют пиковой интенсивности солнечной радиации.

Летний пиковый спрос на электроэнергию часто довольно близко соответствует пиковой интенсивности солнечной радиа­ции, которая в свою очередь вызывает пиковую потребность в охлаждении; таким образом, можно резко снизить пиковую элек­троэнергетическую нагрузку при широком использовании сол­нечного охлаждения. Несмотря на то что энергия, идущая на летнее охлаждение жилых и торговых зданий, составляет менее 3% общего годового потребления энергии в стране, этот показа­тель равен уже 42% общего летнего потребления энергии.

Двумя основными методами понижения температуры возду­ха при охлаждении помещений являются искусственное охлаж­дение (по сути дела извлечение тепловой энергии из воздуха) и охлаждение за счет испарения (испарение влаги в воздух). Так­же применяется осушение воздуха. Охлаждение испарением происходит при испарении воды; например, испарение пота с кожи является одним из механизмов поддержания прохлады тела. Охлаждение зданий испарением наиболее эффективно в сухом климате, например в юго-западной части страны.

Во влажном климате целесообразно применять метод охлаж­дения, состоящий в удалении влаги из воздуха, т. е. осушении, обычно называемый абсорбционным осушением; этот метод ис­пользует гигроскопические материалы-осушители для удаления большей части влаги из воздуха, с которым они соприкасаются. В качестве осушителей используются такие твердые вещества, как силикагель, и жидкости, такие, как триэтиленгликоль. Чтобы повторно использовать тот же осушитель, для выпаривания по­глощенной жидкости необходимо его нагреть. Проводятся иссле­дования применения солнечной энергии как источника тепла для осуществления этого регенеративного процесса (осушения). Если осушающее и охлаждающее действие недостаточно, то тем­пературу осушаемого воздуха можно частично понизить в испа­рительном воздухоохладителе. На рис. 5.100 представлена схема использования солнечной энергии для абсорбционного осушения.

Наиболее распространенной является компрессионно-испа­рительная система охлаждения с электроприводом. Ее можно применять для кондиционирования воздуха, поступающего в систему почти в любом состоянии; в большинстве районов стра­ны этот метод охлаждения может обеспечить более высокий уровень комфорта, чем другие системы. Многие встроенные в ог­раждающие конструкции кондиционеры являются малогабарит­ными вариантами систем этого типа. Проводятся исследования в области использования детандера, работающего по циклу Ренкина на солнечной энергии и непосредственно соединенного с валом компрессора. Концентрирующие коллекторы нашли при­менение для получения температур пара до 320° С для приведе­ния в действие паровой турбины, которая в свою очередь враща­ет вал обычного компрессора компрессионной холодильной уста­новки.

Другой вид испарительно-компрессионной системы может работать без электроэнергии и используется в газовом абсорб­ционном цикле. Этот цикл применяется в газовых холодильни­ках и кондиционерах; он подробно описывается в разделе «Прин­ципы абсорбционного охлаждения».

При эксплуатации абсорбционных систем для охлаждения помещений, как правило, наименьший уровень температуры не должен быть ниже 85° С. Даже эта кажущаяся высокой темпе­ратура на самом деле намного ниже обычно требуемых по стан­дарту температур 120—150° С. На рис. 5.101 схематически пока­зана абсорбционная система, в которой солнечная энергия как источник тепла используется для процесса охлаждения. Солнеч­ные коллекторы должны работать при температурах, на 8—Н°С превышающих рабочую температуру абсорбционной установки. Естественно, что при таких высоких температурах КПД коллек­тора резко падает. Широкие технические разработки сейчас осу­ществляются в области холодильного оборудования, которое может работать при более низких температурах, а также в об-

Рис. 5.100. Солнечное охлаждение методом абсорбционного осушения f27] / — атмосферный воздух; 2 — плоский солнечный коллектор с пластинами внахлестку (два стеклянных покрытия); 3— нагретый воздух; 4 — выпуск теплого влажного возду­ха в атмосферу; 5 — охлажденный воздух в помещение; б? —теплый слабый гликоль; ? — теплообменник; 8 — башенный охладитель; 9 — вода; 10— испарительный воздухоох­ладитель; // — осушенный воздух; 12 — вентилятор; 13 — распылители; И — десорбцион­ная камера; 15 — охладитель; /6 — абсорбционная камера; /7— горячий слабый гликоль; 18 — горячий воздух; 19 — горячий сильный гликоль; 20 — насос; 21 — слабый гликоль; 22 — теплый, влажный воздух из помещения

ласти солнечных коллекторов, имеющих достаточно высокий КПД при высоких рабочих температурах.

Доктор Джордж Лёф показал, что если воду при тем­пературе около 100° С подавать насосом из коллектора в ге­нератор, то она будет переносить тепло при 82° С и возвращать его в коллектор для подогрева при температуре около 93° С. При дневной температуре окружающего воздуха 32° С 1 м2 коллек­тора может обеспечить не менее 1000 кДж при среднем КПД коллектора 40%. Полученная охлаждающая способность будет составлять около 5100 кДж. Коллектор площадью 56 м2 может обеспечить суточную теплопроизводительность для охлаждаю­щей системы на уровне 3165 кДж/ч, что эквивалентно произво­дительности при охлаждении на уровне 2,5 т.

Из-за необходимости иметь высокие рабочие характеристики солнечные коллекторы, предназначенные для таких охлаждаю­щих систем, несомненно будут дороже коллекторов, которые применяются для зимнего отопления. Однако если один и тот же коллектор можно использовать для обеих целей, то его более высокая стоимость окупится в итоге за меньший период времени.

Коллекторы, предназначенные для летнего охлаждения, мо­гут быть концентрирующими и плоскими. Концентрирующие коллекторы имеют ограничения, упомянутые выше, но способ­ны обеспечить более высокую температуру при достаточно высо­
ком КПД в соответствующих климатических условиях, т. е. при высоком проценте прямой солнечной радиации

Плоские коллекторы с селективным покрытием должны иметь от одного до трех и более прозрачных верхних покрытий. Если используется стекло, то оно должно иметь высокую пропуска — тельную и низкую отражательную способность. Для большей части абсорбционного оборудования чаще всего требуются жид­костные, а не воздушные коллекторы. Маловероятно, что будут разрабатываться коллекторы воздушного типа для применения в сочетании с абсорбционным охлаждающим оборудованием.

Коллекторы, функционирующие только летом, должны иметь намного более пологий угол наклона, чем коллекторы, работаю­щие только зимой или же круглогодично. Меньший угол наклона, по-видимому, более совместим с обычными скатными крышами и даже может быть приспособлен к плоским крышам.

Ночное излучение в атмосферу, рассматриваемое в предыду­щем разделе и ниже, представляет собой процесс охлаждения, который происходит, когда предметы излучают свое тепло в более прохладную ночную атмосферу. Районы с сухим климатом, особенно с теплыми днями и холодными ночами, являются наи­более подходящими для этого метода охлаждения благодаря низким атмосферным температурам и прозрачности атмосферы. Воздух /или воду молено охлаждать по мере их циркуляции вдоль поверхности, открытой для ночной атмосферы.

Один из первых примеров ночного охлаждения был осущест­влен Доновэн и Блиссом на «Дезерт Грасслэнд Стейшн» в Ама — до, шт. Аризона, в 1954 г. На этом объекте использовали черную сетчатую ткань, натянутую поверх отверстия в грунте. Прохлад­ный ночной воздух становился еще холоднее при засасывании через ткань, излучая тепло в ночную атмосферу, после того как продувался через контейнер с камнями, служившими также ак­кумулятором солнечного тепла для работы системы зимой.

Доктор Гарри Томасон применил тот же принцип в своем первом солнечном доме в Вашингтоне в 1959 г. Вода из зимнего бака — аккумулятора тепла подавалась насосом к коньку обра­щенной на север крыши и охлаждалась излучением в ночную атмосферу при стекании по поверхности зачерненного гонта. Прохлада аккумулировалась в большом баке с водой с целью использования в теплые дни.

Дом Гарольда Хзя в Атаскадеро, шт. Калифорния, охлаждал­ся без помощи движущихся частей, за исключением задвижных горизонтальных изолирующих ставней, которые открывались ночью, давая возможность охлаждаться наполненным водой мешкам, излучавшим тепло в атмосферу. Днем ставни задвига­лись на прежнее место, удерживая прохладу и не пропуская жару внутрь.

Солнечное охлаждение можно также осуществить путем пра­вильного использования аккумулятора, предназначенного для зимнего солнечного отопления. В некоторых случаях прохлад­ный наружный ночной воздух можно использовать для охлажде­ния теплоаккумулятора для применения в течение дня. Еще больше его можно охладить при помощи небольшого холодиль­ного компрессора. Если компрессор будет работать только ночью во внепиковый период, то его мощность может быть в два раза меньше мощности компрессора, работающего в пиковый период охлаждения. Размеры компрессора могут быть еще больше уменьшены, если он будет работать постоянно, охлаждая акку­мулятор солнечного тепла, даже когда охлаждение помещения не требуется. Маловероятно, что оба эти метода значительно уменьшат эксплуатационные расходы, однако они могут снизить первоначальные затраты.

Системы двойного аккумулирования можно применять так­же и в сочетании с тепловыми насосами дня летнего охлаждения. Тепловые насосы могут переносить тепло из одного аккумуля­тора в другой, охлаждая первый и нагревая второй. Прохлада используется в здании, а тепло из второго аккумулятора сбрасы­вается в окружающую среду либо с помощью механических средств, либо естественным путем, например за счет ночной ра­диации.

Наиболее важной причиной необходимости аккумулирования тепла в солнечной энергетической установке является непосто­янство сияния солнца и постоянная потребность в энергии Кро­ме того, при наличии солнца, как правило, поступает больше энергии, чем требуется, и поэтому, накопив энергию, ее можно использовать в дальнейшем, когда солнца нет

При проектировании аккумулятора солнечного тепла необ­ходимо соизмерять стоимость с рабочими характеристиками Некоторыми решающими факторами стоимости являются вы­бор теплоаккумулирующей среды для теплового аккумулятора, которой могут служить, например камни, вода или эвтектиче­ские соли, необходимое количество этой теплоаккумулирующей рабочей среды, измеряемое по весу или по объему, размещение теплового аккумулятора либо в отапливаемом помещении, либо вне его, тип и размеры контейнера для аккумулирующей среды, теплообменники, если необходимо, для передачи или отбора теп­ла от рабочего тела и механическое устройство для перемеще­ния теплоаккумулирующей среды через аккумулятор или теп лообменники

Кроме этих факторов рабочие характеристики также зависят 01 средней рабочей температуры, падения давления теплоноси­теля, движущегося через теплоаккумулирующую среду, и от по — іерь тепла контейнером в окружающую среду

Есть три основных вида теплоаккумулирующей среды кам­ни, вода и эвтектические соли (с фазовым превращением)

Способность разных материалов накапливать тепло зависит от их удельной теплоемкости Как указывалось в предыдущей части, удельная теплоемкость материала выражается количест­вом тепла (Дж), необходимого для повышения температуры 1 кг материала на 1° Энергию, часто называемую физической теплотой, можно получить обратно по мере снижения темпера туры вещества Это основной принцип действия большинства солнечных тепловых аккумуляторов В табл 15 приводятся теплоаккумулирующие способности нескольких распространен­ных материалов

Теплоаккумулирующий материал	Удельная теплоемкость, кДж/(кг-°С)	Плотность, кг/м3	Теплоемкость, без пустот	кДж/(ма град) 30% пустот
Вода	4,18	993	4154	2881
Железный лом	0,502	7849	3953	2747
Магнетит (FeaO-t)	0,753	5126	3819	2680
Алюминиевый лом	0,962	2723	2613	1809
Бетон	1,13	2242	2546	1742
Камень	0,879	2723	2412	1675
Кирпич	0,837	2242	1876	1340
Натрий (до 100° С)	0,962	945	938	__

Выбор теплоаккумулирующей среды и солнечного коллекто­ра должен ‘проводиться одновременно. Почти без исключения все системы жидкостного типа, будь то открытые (например, си­стема Томасона) или закрытые типа «труба в листе», требуют жидкой теплоаккумулирующей среды. В большинстве систем воздушного типа теплоаккумулирующая среда состоит из не­больших элементов — наиболее распространенными являются камни, небольшие (несколько кубических дециметров) сосуды с водой или эвтектические соли в контейнерах, которые дают возможность воздуху проходить вокруг и между ними, переда­вая им тепло. Альтернативными вариантами являются также системы, которые конструктивно сочетают в себе солнечный коллектор и аккумулятор тепла (см. часть III).

Аккумулятор для жидких систем. Существенным преимуще­ством жидкостных систем, содержащих бак-аккумулятор с во­дой, является их совместимость с солнечным охлаждением. Воду можно использовать практически для всех типов солнечного ох­лаждения, в том числе для ночного радиационного охлажде­ния, внепикового охлаждения при помощи небольших компрес­соров и циклов Ренкина и абсорбционного охлаждения. Наиболь­шим преимуществом воды в качестве теплоаккумулирующей среды является ее сравнительно низкая стоимость, за исключе­нием тех районов мира, где воды мало. Однако с водой связаны некоторые трудности, решение которых может вызвать значи­тельные затраты.

В последние годы удерживание больших объемов воды (от 100 до 350 м3 на 1 м3 коллектора) до некоторой степени стало проще благодаря появлению надежных гидроизоляционных ма­териалов и больших пластиковых листов. Раньше единственным сосудом был бак из оцинкованной стали, который в конечном счете протекал. Замена крупных баков, которые обычно разме­щаются в подвалах или под землей, является трудным и дорого­стоящим делом. Внедрение стеклофутеровкп и баков из стекло­волокна устранило проблемы коррозии, по увеличило первона-

чальные расходы Применение баков из литого бетона до недав­него времени сдерживалось трудностью и стоимостью обеспече­ния их долговременной герметичности; бетон водопроницаем и подвержен растрескиванию. Однако большие пластиковые ли­сты или мешки могут заменить собой бетон; пластиковые сосу­ды могут поддерживаться легкими деревянными или металличе­скими каркасами.

На рис. 5.83 показаны два способа хранения воды: первый — это наполненный водой бетонный (или шлакоблочный) контей­нер; второй — это система д-ра Гарри Томасона, т. е. бак с во­дой, окруженный камнями. В первом способе теплая вода из бака циркулирует в здание либо непосредственно через радиа­торы или теплоизлучающие панели, либо косвенно через змееви­ковые теплообменники, которые нагревают обтекающий их воз­дух, охлажденный їв помещении. Этот последний способ приме­нили в доме IV при Массачусетском технологическом институте в 1959 г. На рис. 5.84 показано поперечное сечение дома в шт. Вермонт на Среднем Западе, который был спроектирован Сью Бэртон Теннер. Система солнечного теплоснабжения, раз­работанная фирмой «Тотал энвайронментал экшн.», имеет в своем составе коллектор с открытым стоком воды. Теплообмен­ник отбирает тепло от аккумулятора и передает его в дом через большие стеновые и потолочные радиационные панели, позво­ляя использовать воду сравнительно низкой температуры. Вто­рой теплообменник подогревает воду для хозяйственных нужд, поступающую в обычный водонагреватель. Аккумулятор второго типа, изображенный на рис. 5.78, передает тепло медленно, но постоянно от бака с водой к камням. Охлажденный в доме воз­дух медленно циркулирует в больших объемах между нагретыми камнями и возвращается обратно в дом. В обоих случаях самая холодная вода на дне бака поступает в коллектор для подогре­ва, а затем возвращается в верхнюю часть бака. Эта нагретая в коллекторе вода используется для отопления дома.

Распределение температуры внутри водяного бака показано на рис. 5 85 Клоузом [9]. В баке высотой 1 м в начале дня от­мечается температура менее 20° С в 150 мм от дна п почти 35° С в 125 мм от верха. К концу дня эта разница становится несколь­ко меньше и составляет около 8°.

Большие размеры и высокая стоимость теплообменников мо­гут вызвать серьезные возражения против использования водя­ных баков-аккумуляторов. 25—50 т камней в системе Томасона, хотя и будучи дополнительным аккумулятором тепла, являются в некотором смысле чересчур внушительным теплообменником. У типичных металлических теплообменников, погруженных в воду, общая площадь поверхности теплообмена может состав­лять чуть ли не одну треть от площади солнечного коллектора.

Теплообменники необходимы, когда воду в баке невозможно использовать непосредственно для других целей, кроме аккуму-

Рис. 5 84. Коллекто­ры с наружным сто­ком воды и бак-ак­кумулятор в доме, шт. Вермонт (проект архит. Сью Бэртон Теннер с рекоменда­циями фирмы «Тотал энвайронментал экшн»)

1 — коллекторы: 2 — теп­лообменники для радиа­ционного отопления го­рячей водой; 3 — акку­мулятор

лядии тепла. Например, при использовании в коллекторе раст­вора антифриза в ‘воде он должен проходить через теплообмен­ник во избежание смешивания его с водой в баке. Кроме того, при расчете теплоснабжения здания инженеры по отоплению обычно требуют, чтобы вода из бака не использовалась в отопи­тельной системе. Это особенно показательно для случая, когда вода из бака циркулирует через коллектор.

Ограничение выбора местоположения для больших сосудов с водой может оказаться выгодным для проектировщиков зда-
ний, которые не хотят ломать голову над тем, где установить крупный предмет. Однако для проектировщика, который хочет сделать теплоаккумулятор неотъемлемой частью всего проекта, размещение тяжелого и громоздкого бака может оказаться трудной задачей. Естественно, самосливные системы жидкост­ного типа требуют, чтобы аккумулятор находился ниже дна кол­лектора; термосифонные системы требуют, чтобы он находился выше верхней части коллектора. Если аккумуляционная система связана с другим оборудованием, например с отопителем, насо­сами, теплообменником и бытовыми водонагревателями, то мо­жет потребоваться ее близкое размещение к ним.

Аккумулятор для воздушных систем. Из нескольких тепло­аккумулирующих сред для систем воздушного типа, пожалуй, наиболее известными и употрсбимыми являются камни. Хотя применение этого материала кажется сравнительно дешевым и легким решением, однако такой выбор не всегда правилен. Наи­более существенным преимуществом камней является их низкая стоимость, если действительно камней много. Например, на большей части территории Новой Англии единственным видом камней является гравий диаметром 25—40 мм. В зависимости от конструкции и размеров отсека для камней могут потребовать­ся камни диаметром до 100 мм. На 1 м2 коллектора требуется от 35 до 180 кг камней из-за их малой теплоемкости. Огромное количество камней усложняет проблему их транспортировки и перегрузки, а также требует отсека, достаточного по размеру,

чтобы вместить их При 30% пустот объем камней, необходимый для аккумулирования того же количества тепла, что и бак с во­дой, должен быть в два с половиной раза больше

Большая периметральная площадь этих отсеков-аккумуля­торов влечет за собой более высокие строительные расходы и большие потери тепла Потенциальная возможность более зна­чительных потерь тепла из больших отсеков с камнями по срав­нению с меньшими по размеру водяными баками, тем не менее, компенсируется сравнительно медленным естественным движе­нием тепла через камни в отличие от постоянного движения воды внутри большого сосуда при изменении температуры (на­пример, из-за потери тепла)

Одним из серьезных ограничении в отношении камней яв­ляется недостаточность их универсальности как рабочих тел для других целей помимо аккумулирования тепла, они, например, не могут служить теплоносителем для подогрева воды, охлаж­дения и даже отопления жилого помещения Один из немногих и наиболее распространенных способов приготовления горячей воды в этом случае заключается в установке небольшого (от 100 до 400 дм3) неизолированного водяного бака между камнями. Теплообмен протекает медленно, но продолжается круглые сутки

Методы солнечного охлаждения применимы тогда, когда кам­ни удерживают прохладу для дальнейшего использования Эту прохладу можно получить путем циркуляции холодного ночного воздуха, воздуха, охлажденного ночной радиацией, или воздуха охлажденного внепиковыми холодильными компрессорами Коллекторы воздушного типа, обеспечивающие температуры до­статочно высокие для циклов охлаждения от 80 до 150° С, на­вряд ли будут разрабатываться Оборудование по кондициони­рованию воздуха, которое совместимо скорее с горячим возду­хом, чем с горячей жидкостью в качестве источника тепла, в настоящее время не выпускается

Воздушные системы ограничивают способ передачи тепла окружающему пространству Почти без исключения отопитель ные системы должны иметь принудительную циркуляцию теп­лого воздуха в отличие от теплоаккумуляторов типа водяного бака, где может применяться принудительная циркуляция теп­лой воды или теплого воздуха Однако, как рассматривалось в части III, воздух может циркулировать через камни естествен­ным путем, не нуждаясь в вентиляторах

На рис 5 86 показан сводчатый дом, спроектированный фир­мой «Тотал энвайронментал экшн», в котором отсек с камнями расположен в пределах помещения Передача тепла из отсека в помещение происходит медленно путем естественной конвек­ции из комнаты в нижнюю часть отсека и оттуда через верх, а при необходимости, при помощи небольших вспомогательных вентиляторов (купообразная конструкция была выбрана заказ-

Рис 5 86 Воздушные коллекторы (расположенные отдельно) и аккумулятор с твердой засыпкой в купольном доме, проект фирмы «Тотал знвайронментал экшн»

4 — панели коллектора В — контейнер аккумулятора с кирпичным или каменным щеб нем С — подземный изолированный капал для подачи воздуха

чиком, а отдельно стоящий коллектор указывает иа ограничения использования здания для жилых целей).

Местоположение теплового аккумулятора с камнями может явиться серьезным ограничением их использования. Если акку­мулятор размещается в подвале здания, то расходы на сооруже­ние отсека необязательно должны быть включены в общую стоимость системы солнечного теплоснабжения. Однако если под аккумулятор отводится подвал, предназначенный для других целей, или жилое помещение, то стоимость сооружения такого отсека добавляется к стоимости системы. На рис. 5.87 показано использование контейнера-аккумулятора с засыпкой из камней как части архитектурного элемента здания. В доме Джорджа Лёфа в Денвере этот способ применен довольно удачно. Однако из-за большого веса контейнеров или отсеков для камней под ними должны предусматриваться прочные фундаменты.

На рис. 5.88 представлен разрез дома в Бостоне по проекту фирмы «Тотал энвайронментал экшн», выполненному на средст­ва фирмы «АИА Рисерч корпорейшн» Американского института архитекторов [39]. Площадка для дома представляет собой крутой северный склон холма с высокими зданиями к югу. Кол­лектор устанавливается как можно выше, чтобы не попасть в тень от соседних зданий. Вследствие своих больших размеров и массы теплоаккумулирующий отсек с камнями находится на нижнем этаже здания.

В проекте предусматривается довольно простой способ пе­редачи тепла к отсеку и от него. На рис. 5.89, где показана схема солнечной системы, теплый воздух из коллектора поступает в верхнюю часть отсека. Он затягивается внутрь, выходит снизу и поступает обратно в коллектор. Для обогрева дома прохладный воздух поступает в нижнюю часть отсека и нагревается по мере подъема между камнями. Самые теплые камни наверху нагре­вают воздух до наибольшей степени. На рисунке также показа­ны цикл отопления на жидком топливе, в котором комнатный воздух обходит отсек с камнями. Обычно аккумуляторный отсек не должен нагреваться отопителем, за исключением случаев, когда он располагается внутри жилого помещения.

Одна из важных причин того, что теплый воздух подается из коллектора в верхнюю часть отсека, заключается в стремлении обеспечить температурную стратификацию. Это дает возмож­ность нагревать комнатный воздух до наивысшей возможной температуры при помощи самых теплых камней, находящихся в верхней части отсека. Если теплый воздух будет поступать через низ отсека, даже без перемещения внутри него, то тепло из ниж­ней части распределится равномерно по всему отсеку, что вызо­вет в нем общее понижение температуры. Подача комнатного воздуха в то же место, что и теплого воздуха из коллектора, будет способствовать этому выравниванию тепла по отсеку, а не нагреву воздуха в целях отопления здания.

Рис. 5 89 Схема системы солнечного теплоснабжения для дома в Бостоне [381

А — режим поглощения солнечной энер­гии Воздух поступает через дно коллек­тора и выходит через верх Нагретый воз­дух подается вниз, проходя через аккуму­лятор с химиями и нагрева его, и возвра­щается обратно в коллектор, В — режим отопления помещения Воздух засасыва­ется из жилого помещения и поступает в нижнюю часть аккумулятора При про­хождении через камни он нагревается и поступает обратно в жилое помещение; С — режим дублирующею отопления Ото­питель работающий па жидком топливе, нагревает воздух, поступающий из жилого помещения через приточную камеру в нижней части аккумулятора. Паї петый воздух поступает в жилое помещение че­рез верхнюю камеру аккумулятора, D — бак для приготовления горячей воды на­ходится внутри теплоаккумулирующей среды, которая играет роль или нагрева­теля, или подогревателя в зависимости от уровня температуры аккумулятора

На рис. 5.90 приведены температурные кривые для одного из теплоаккумулирующих цилиндров в доме д-ра Лёфа в течение суток. Стратификация могла бы быть более заметной, если бы воздух подавался через верх, а выходил через низ цилиндра. Во всяком случае перепад температур в течение суток составляет несколько более 20°.

Форма отсека аккумулятора имеет особое значение при ис­пользовании камней в качестве теплоаккумулирующей среды. Вообще, чем больше расстояние, которое воздуху требуется пройти через камни, тем больше должен быть диаметр камней для уменьшения перепада давления и снижения необходимой мощности вентилятора. Например, если отсек представляет собой высокий цилиндр (см. рис 5.87), то требуются камни большого диаметра. Если высота цилиндра более 2,5 м, то раз­мер камней должен быть по крайней мере 50 мм в диаметре; для более высоких цилиндров размер камней должен быть еще больше. Для приземистых, горизонтальных отсеков, которые обычно устанавливаются в подвалах, может подойти гравий диа­метром 25—50 мм (рис. 5.91).

Предлагаемые выше размеры в большей степени зависят от скорости проходящего через камни воздуха. Чем меньше ско­рость воздуха, тем мельче должны быть камни и тем толще их слой. По сути дела, увеличение перепада давления проходящего через камни воздушного потока прямо пропорционально увели­чению скорости воздуха. Разумеется, чем меньше камни в попе-

Рис. 5.91, В зависимости от фор­мы отсека и толщины слоя, через который проходит воздух, для ак­кумулятора солнечного тепла ис­пользуются камни разных разме­ров

a — вертикальный отсек: /-—теплый

воздух из коллектора; 2 — размер кам­ней в поперечнике 50—100 мм: 3 — хо­лодный воздух к коллектору; б — го­ризонтальный отсек; 4 — гравий в по­перечнике 25 — 50 мм; 5 — теплый воз­дух к дому; 6 — холодный воздух из дома

речвике, тем больше суммарная площадь поверхности камней, которая получает тепло от воздуха. Например, 30 дм3 камней диаметром 25 мм имеют площадь поверхности около 3,7 м2, а тот же объем камней диаметром 75 мм имеет втрое меньшую по­верхность. ‘

г

Рис. 5.93. Вертикальные воздушные коллекторы и водяной аккумулятор контейнерного типа в Джиллис-хаус (схема 1) [381

1 — отсек; 2 — коллектор

Наилучшие данные по определению зависимостей между диа­метром камней, скоростью воздуха и перепадом давления в аккумуляторе можно найти в работах Лёфа и Холи [25], Клоуза [11] и Бэрда и др. [4]. Вообще, камни или булыжники должны быть достаточно большими, чтобы поддерживать низкий пере­пад давлений при достаточно хорошем теплообмене.

В системах воздушного типа можно также использовать не­большие (несколько кубических дециметров) контейнеры для воды (или другого материала), которые можно разместить на стеллажах, полках или каким-либо другим способом, чтобы дать возможность воздуху беспрепятственно обтекать их. Такими контейнерами могут быть пластмассовые, стеклянные или алю­миниевые емкости, бутыли или банки. Иметь дело с тысячами небольших контейнеров — их сбор, наполнение и установка — представляется дорогостоящей и трудоемкой задачей. Проблема укладки или размещения контейнеров решается разными путя­ми, но, пожалуй, наиболее успешным является установка их па поддоны с последующим продуванием воздуха по горизонтали между поддонами (рис. 5.92). В части III показаны небольшие контейнеры, размещенные между балками перекрытий, пустоты здесь выступают в качестве воздушных коробов. Можно также использовать вертикальные пустоты теплоаккумулятора, служа­щие как перегородки между помещениями или как наружные стены. И опять, если аккумулятор тепла расположен внутри отапливаемого помещения или имеет контакт с ним, то все по­тери тепла из аккумулятора поступают в обогреваемое помеще­ние. На рис. 5.93 показан разрез дома, спроектированного фир­
мой «Тотал энвайронментал экшн» для строительства в шт. Массачусетс. В этом предварительном проекте воздух, циркули­руя в замкнутом контуре, проходит вверх через вертикальный, обращенный на юг коллектор, а затем опускается вниз через вер­тикальный объем, заполненный небольшими контейнерами с водой.

Стену такой конструкции не легко приспособить для камней, и в этом заключается одно из главных преимуществ контейне­ров с водой. Другое преимущество в том, что требуется мень­ший объем пространства для воды, чтобы аккумулировать то же количество тепла, что и камни. Приняв 50% пустот между кон­тейнерами, установили, что вода удерживает 2150 кДж на 1 м3 на 1 град разности температур. Камни при 30% пустот удержи­вают 1675 кДж /(м3-град). Если контейнеры с водой разместить лишь с 30% пустот, то при тех же условиях будет удерживаться 2880 кДж/ (м3-град).

Утечка воды навряд ли вызовет проблемы, поскольку в од­ном месте протечки потеря воды составит не более нескольких литров. Если этот вид поглощения и аккумулирования тепла сол­нечного излучения получит широкое распространение, то, по всей вероятности, будут выпускаться специальные контейнеры, например из твердых формованных пластмасс. Такие контейне­ры будут и конструктивными элементами, и их можно будет ста­вить друг на друга. Аналогичные контейнеры из более мягкого винила можно легко транспортировать и наполнять на месте. В конструкции будут заранее предусматриваться промежутки для прохождения воздушного потока.

Также по контракту с «АИА Рисерч корпорейшн» фирма «Тотал энвайронментал экшн» [39] использовала саму кон­струкцию дома для аккумулирования тепла. Система, показан­ная да рис. 5.94, разработана для Миннеаполиса.

Альтернативой камням и воде для систем с солнечными кол­лекторами воздушного типа являются фазопереходные (эвтек­тические) соли. Принцип аккумулирования тепла солями заклю­чается в том, что материал накапливает значительное количест­во тепловой энергии при переходе из твердого состояния в жидкое (в период плавления) и отдает накопленное тепло при затвердевании. Например, для изменения температуры 1 кг воды на 1 град требуется 1,055 кДж. Однако для изменения температуры льда на 1 град, чтобы он растаял, требуется уже 152 кДж.

Очевидно, что температура таяния льда слишком мала для аккумулирования полезного тепла, и вот уже более 30 лет про­водятся исследования с эвтектическими солями, имеющими бо­лее высокие температуры плавления. Наиболее широко изучен­ной является общеизвестная глауберова соль, которая плавится при температуре 32,2° С и в процессе плавления аккумулирует 244 кДж на 1 кг. Поэтому применение таких солей приводит к

Рис. 5.94. Проект солнечного дома для Миннеаполиса [39]

1 — комната отдыха; 2 — общая комната; 3 — спальня; 4 — тепло­вой аккумулятор; 5 —солнечный коллектор для приготовления горя­чей воды; в — солнечный коллек­тор; 7 — столовая; 8 — гараж

5230 10-54 °С

40 °С

Рис. 5.95. Сравнение объемов воды и фазопереходной глауберовой соли, необ­ходимых для аккумулирования одинакового количества тепла, в зависимости

от диапазона рабочих температур

1 — пода, 0,0283 м3 (28,1 кг); 2 — соль, 0,00311 м3 (4,53 кг); 0,0099 м3 (14,51 кг); 0,0141 м3 (20,41 кг); а —запасенная тепловая энергия, кДж; б —диапазон температур, °С; в — раз­ность температур, град существенному уменьшению объемов теплоаккумулирующих от­секов. Некоторые другие соли, подвергшиеся исследованиям, приведены в табл. 16. Разные температуры плавления дают воз­можность выбрать соль, которая обеспечивает для системы наи­более эффективную среднюю температуру в аккумуляторе тепла.

Преимущество солевого аккумулятора уменьшается по мере увеличения диапазона температур других теплоаккумулирующих сред. Например, на рис. 5.95 показано, что объем соли, необхо-

Таблица 16 Гидраты солей, применяемые для аккумулирований солнечного тепла (перепечатывается с разрешения Американского общества инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха) [36] Химическая формула Точка плавле­ния, °С Теплота плавле ния, кДж/кг Плот ность, кг/м3 1 Шестигидратный хлористый кальций СаС12 6Н20 29—39 174,4 1633,8 2 Десятигидратный угле­кислый натрий Na2COj-10 Н20 32—36 7950 1441 3 Двенадцатигидратиый динатрийфосфат Na2HP04-12H20 36 8550 1521 4 Четырехгидратный а зотнокислый кальций Ca(NO,)2 4 Н20 39—42 4500 1826 5 Десятигидратный сер­нокислый натрий (глау­берова соль) Na2SO4-10H2O 31-32 8100 1553 6 Пятигидратный тио­сульфат натрия Na2S20 ,-5 Н30 48—49 6750 1666

димый для накапливания того же количества тепла, что и дан­ным объемом воды, увеличивается по мере роста температурно­го интервала ваккумуляторе. На рисунке допускается, что объем воды не имеет пустот. К выбору подходящей соли для солнеч­ного теплоаккумулятора предъявляются некоторые требова­ния [11]:

соль должна быть сравнительно дешевой; ее фазовый переход должен обладать хорошим эффектом скрытой теплоты, т. е. соль при плавлении должна накапли­вать большое количество тепла; соль должна быть доступна в больших количествах; соль должна обладать хорошей воспроизводимостью свойств на протяжении большого числа фазопереходных циклов без серьезного ухудшения эффекта скрытой теплоты;

ее фазовый переход должен происходить вблизи от реальной температуры плавления соли;

приготовление солн для применения должно быть сравни тельно простым;

соль должна быть безвредной (нетоксичной, невоспламеняю­щейся, негорючей, некорродирующей);

способ упаковки соли в контейнер и материал контейнера должны обеспечивать наилучшие условия передачи тепла к соли п от нее.

Нынешняя стоимость глауберовой солн составляет чуть боль­ше цента за фунт (0,454 кг), однако другие соли могут быть зна­чительно дороже. Подготовка и укладка соли в контейнеры мо­гут намного повысить ее стоимость. Маловероятно, чтобы глаубе — рову соль можно было использовать в солнечной установке при затратах менее 20 центов за фунт, не включая сюда большой бункер, в котором находятся небольшие контейнеры с солью [4]. В температурном интервале, равном 15 град, каждый кило­грамм соли будет накапливать 223 кДж при плавлении и допол­нительные 42 кДж при изменении температуры на 15 град. Для аккумулирования же 70 кДж требуется 1 кг воды и около 5 кг камней. Подобную зависимость можно установить и для дру­гих случаев, если известен диапазон температур данной теплоак­кумулирующей системы. Затем по каждой теплоаккумулирую­щей среде можно провести сравнение стоимости сооружения, устройства изоляции и т. п.

Глауберова соль в настоящее время выпускается для широ­кого применения во многих районах США, чего, видимо, нельзя сказать о других солях. Подготовка солей для использования в аккумуляторе солнечного тепла имеет некоторые сложности. Значительные усилия были предприняты, в частности, д-ром Ма­рка Телкес сначала в Массачусетском технологическом институ­те в 50-х годах, а затем недавно в университете шт. Делавэр, для решения некоторых из этих проблем. Среди них — потеря солями эффекта высокой скрытой теплоты из-за расслоения хи­мических компонентов соли в жидкой фазе Для предупреждения такого разделения химических веществ добавляют загустители, примерно до 7% по массе. Соли также имеют тенденцию к пере­охлаждению до затвердевания, причем их температура опускает­ся намного ниже температуры плавления. Хорошие результаты дает внесение ядрообразующих добавок, например «Боракса» (до 3% по массе); переохлаждение практически устраняется при на­чале кристаллизации между 28,3 и 29,4° С. Для некоторых солей было зарегистрировано более тысячи циклов, а в последующих экспериментах было получено еще большее число.

Необходимо предусматривать такие контейнеры, которые бы противостояли агрессивной природе большинства солей даже при добавлении в них ингибиторов коррозии. В эксперименталь­ном солнечном доме ‘«Солар 1», построенном университетом шт. Делавэр в 1973 г, имеются пластмассовые трубки типа ABS диаметром 32 мм и толщиной стенки 0,75 мм. Соли были также помещены в горизонтальные контейнеры в виде поддонов со сто­роной около 600 мм и глубиной 25 мм. Поддоны устанавливались с зазором 6,5 мм для прохода воздуха. Контейнеры не должны протекать и пропускать пары. Форма контейнера способствует уменьшению расслоения и переохлаждения Пожалуй, наиболее значительная работа на эту тему была написана д-ром Телкес, в которой она сообщает о солях, помимо глауберовой соли, пла­вящихся при 12,8; 23,9 и 48,9° С и используемых в доме «Со­лар 1».

Сравнительно небольшой объем, занимаемый солями, обеспе­чивает универсальность размещения аккумулятора тепла. Для

этой цели, например, можно использовать чуланы, тонкие стены перегородок, конструктивные пустоты и другие пространства.

Парафин или воск по своей способности накапливать тепло находится где-то посередине между водой и эвтектическими со­лями Их удельная теплоемкость составляет лишь 2,9 кДж/кг, а плотность равна практически плотности воды 880 кг/м3. Одна­ко при плавлении парафин накапливает около 150 кДж на 1 кг по сравнению со 233 кДж/кг для глауберовой соли Он может быть значительно дешевле соли, особенно если его отпускной и транспортный контейнер использовать в солнечной установке, но парафин не только окисляет, но и корродирует пластмассы и не­которые металлы (вроде меди) Конечно, в процессе окисления он постепенно улетучивается в атмосферу, если не находится в герметическом сосуде И наоборот, по мере затвердевания и от­дачи тепла он сжимается, отставая и существенно снижая пере­дачу тепла от стенок контейнера

Наибольшим недостатком парафина является его горючесть В немногих строительных нормах разрешается его использова­ние внутри здания, несмотря на разрешение держать небольшие баки с горючим для отопления помещений Аккумулятор тепла с парафином, видимо, должен размещаться вне здания или бун­кер должен иметь весьма высокий предел огнестойкости.

Размеры аккумулятора. Разработано большое число методик расчета емкости аккумулятора. Многие из них более усложне­ны, чем это требуется, и их можно изложить в сравнительно про­стом виде, вводя некоторые допущения Однако большинство методов требует довольно точной информации по рабочим харак­теристикам коллектора, а также подробных погодных данных Поскольку такая информация иногда отсутствует, приходится выполнять приближения и, если возможно, предусматривать условия для изменения конечной емкости аккумулятора после установления действительных рабочих характеристик в процес­се эксплуатации. Например, бетонный резервуар для воды из­быточного размера можно наполнять до различных уровней в процессе реальной работы, пока не будут получены наилучшие характеристики системы.

Вообще, лучше иметь завышенные габариты аккумулятора, чем заниженные, чтобы поддерживать среднюю температуру на как можно более низком уровне Ограничение габаритов обычно обусловливается наличием необходимого пространства и воз­можностью установки аккумулятора с низкотемпературным теп­лом в жилом помещении Например, для отопительной системы с температурой воздуха 55° С, не подходит аккумулятор тепла со средней температурой менее 55° С. Исследования, проведен­ные фирмой «Тотал энвайронментал экшн » [38], показывают, что коллектор, работающий при средней температуре 32° С, улавливает в два раза больше энергии в течение отопительного сезона в Бостоне, чем коллектор со средней температурой 60° С

Соответственно, средние температуры аккумулятора в этих слу­чаях составляют 30 и 57° С. Полезный температурный диапазон для низкотемпературного аккумулятора может быть от 25 до 50° С, или полная разность температур около 22° С. Однако ак­кумулятор с более высокими температурами имеет потенци­ально более широкий диапазон температур при допущении, что отопительная система может работать с низкими температурами аккумулятора Если это так, то полезный температурный диапа­зон может быть от 27 до 77° С, или полная разность температур составит 50° С, примерно в два раза превышая величину для низкотемпературного аккумулятора. Поэтому высокотемпера­турный аккумулятор может быть в два раза меньше по габари­там, чем низкотемпературный, и аккумулировать то же коли­чество тепла.

В качестве примера 500 л воды накапливают 21 000 кДж при повышении ее температуры от 20 до 30° С и 2000 л воды аккуму­лируют то же количество при повышении температуры от 25 до 45° С.

При установлении габаритов аккумулятора необходимо опре­делить полный тепловой поток. За исключением необычных кон­струкций, единственным источником тепла для аккумулятора является коллектор (другими источниками бывают тепловые на­сосы, скважины и контактный нагрев). Это тепло теряется двумя основными путями: первый •— потери вследствие теплопроводно­сти (и иногда конвекции) из бака-аккумулятора непрерывно круглые сутки; второй — потери энергии, поступающей в здание в виде тепла, причем в количествах, меняющихся в самых широ­ких пределах каждый час и каждый месяц. Кроме того, энергия часто теряется при нагреве (или подогреве) воды для хозяйст­венных целей, однако эти потери более регулярны и предсказуе­мы благодаря сравнительно постоянному ежедневному спросу.

Аккумулирующая система любого типа требует большого количества изоляции для уменьшения потери тепла в окружаю­щую среду. Чем выше ее средняя температура и чем холоднее окружающая среда, тем больше требуется изоляции. Если акку­мулятор находится в пределах отапливаемого помещения, то изоляции требуется, естественно, меньше, чем в случае, когда он располагается вне здания или в подвале. Земля может служить изоляцией аккумулятору тепла, но полагаться на нее стоит в редких случаях; перемещение даже небольшого количества вла­ги через грунт практически сводит па нет его изоляционные свойства

Для низкотемпературного аккумулятора, расположенного в пределах отапливаемого помещения, должна применяться изоля­ция, эквивалентная по крайней мере 150-мм слою стекловолок­нистой изоляции (Д=~20) При температурах аккумулятора более 95° С, поддерживаемых в течение нескольких месяцев, дол­жна применяться высокоэффективная уретановая изоляция тол­щиной не менее 900 мм, например когда тепло запасается летом для зимнего использования. В доме IV Массачусетского техно­логического института, который был построен в 1959 г.; было поглощено тепловой энергии в количестве 43,2 -106 кДж в тече­ние шестимесячного отопительного сезона. Однако около 6,8Х ХІ06 кДж составили потери из бака с теплой водой, размещен­ного в неотапливаемом подвале; фактически использовано было только 36,4-10s кДж.

Все каналы п трубы должны иметь изоляцию в соответствии с теми же высокими стандартами, что и для аккумулирующего бака или бункера. Разумеется, близость бака-аккумулятора к коллектору уменьшает теплопотери от каналов и труб; также не­сколько снижается стоимость переноса энергии.

Одна из наиболее неточно распространяемых концепций сол­нечного отопления касается количества дней тепловой инерции солнечного накопителя тепла. Система, рассчитанная обеспечи­вать теплом в течение двух облачных дней в апреле, будет зна­чительно меньше системы, рассчитанной на два облачных дня в январе. Также система, обладающая двухдневной тепловой инер­цией для среднеянварских температур, будет более чем в два раза меньше системы, рассчитанной на два самых холодных дня в январе. Теплоснабжение в течение двух январских дней в Чарльстоне требует значительно меньшей системы, чем в Мин­неаполисе. Даже в Миннеаполисе система для дома с улучшен­ной изоляцией будет существенно меньше системы для зданий с обычной изоляцией. Кроме того, дом, который получает боль­шой приток солнечного тепла через окна и который имеет зна­чительную тепловую массу для накапливания тепла, не будет нуждаться в энергии от солнечного коллектора долгое время после исчезновения солнца.

Пожалуй, наилучший способ описания емкости теплоаккуму­лятора заключается в определении количества полезных кило­джоулей, которое он может накопить в данном диапазоне темпе­ратур. Следующая оценка предусматривает определение потерь тепла зданием на основе расчета килоджоулей на градусо-депь. Частным от деления этой величины на емкость теплоаккумуля­тора будет количество градусо-дней потребности в отоплении, которым аккумулятор тепла обеспечивает здание. Например, в доме с улучшенной изоляцией, имеющего площадь около ПО м2 и находящегося в Миннеаполисе, теплопотери могут составить до 10 500 кДж на 1 град-день. Его аккумулятор солнечного теп­ла вместимостью 3785 л воды удерживает 33 7600 кДж в темпе­ратурном интервале 22 град, обеспечивая дом достаточным теп­лом на протяжении 32 град-дней (это происходит, когда в тече­ние 24 ч внешняя температура составляет 0° С или в течение 48 ч— 10° С).

Последовательность солнечных и облачных дней также имеет значение для определения параметров аккумулятора. Экстре­

мальным оптимумом является регулярное чередование солнеч­ных и облачных дней. Можно рассчитать солнечную установку (в том числе приток солнечного тепла и тепловая масса здания) на поглощение тепла в течение одного солнечного дня с последу­ющим облачным днем. До 100% потребности в отоплении можно обеспечить за счет солнечной энергии, если система рассчитана на период из двух самых холодных дней.

Если последовательность выражается двумя солнечными дня­ми, за которыми следуют два облачных дня, то аккумулятор должен быть в два раза больше, чтобы удовлетворить потреб­ность в отоплении в течение двух облачных дней, в то же время габариты солнечного коллектора увеличатся незначительно или не увеличатся совсем. Если последовательность представляет собой один солнечный день, сменяемый двумя ‘облачными, то размеры солнечного коллектора необходимо увеличить с тем, ‘ чтобы за один день собрать количество тепла, достаточное для последующих нескольких дней, однако аккумулятор будет того же размера, что и в случае последовательности два солнечных — два облачных дня. Широкие колебания последовательности сол­нечных и облачных дней для определенных местоположений и для страны в целом делают невозможным обобщенно говорить об этой проблеме. Помимо этого, не всегда широко доступны подробные погодные данные.

В районе метеорологической станции Блю-Хиллз вблизи Бо­стона половина облачных дней попадает между двумя днями, пригодными для использования солнечной энергии. Около 80% периодов облачной погоды длятся два дня или менее,’ 90% —до трех дней, а ряд из четырех дней без солнца встреча­ется редко. Солнечная установка, которая продержит здание в Блю-Хиллз в течение трех облачных дней в самую холодную погоду, покроет почти 90% отопительной нагрузки.

Поскольку задача системы солнечного отопления заключа­ется в обеспечении 60% или менее потребности здания в отопле­нии, имеется два основных подхода к определению окончатель­ных размеров аккумулятора в районах страны с 50% возможной солнечной погоды. По первому методу сначала определяются параметры коллектора в соответствии с потребностями здания в данной географической точке; эта процедура описана выше. За­тем определяется диапазон средних температур аккумулятора. (Предварительно, чтобы определить выход энергии из коллек­тора и его размеры, находили среднюю рабочую температуру коллектора. Эту температуру можно принять на 3° С выше сред­ней температуры аккумулятора.)

После установления температурного интервала аккумулятора вычисляется количество тепла, которое можно накопить на 1 кг (или 1 м3) теплоаккумулирующей среды. Полученная величина делится на количество килоджоулей, которое солнечный коллек­тор уловит в течение среднего солнечного дня. Это и будет при­близительная общая масса или объем аккумулятора, который требовалось найти.

Например, если средняя температура коллектора равна 38° С, то средняя температура аккумулятора будет около 35° С. Полез­ный диапазон температур в течение суток может быть от 30 до 40° С, или 10 град. В 30 дм3 камней весом около 55 кг будет на­коплено примерно 530 кДж в температурном интервале 10 град Если солнечная установка улавливает на 1 м2 коллектора 11350 кДж за средний солнечный день, то на каждый 1 м2 по­верхности коллектора потребуется не менее 550 дм3 камней.

Чем больше повышение температуры в аккумуляторе тепла за один солнечный день, тем выше средняя рабочая температура коллектора и тем ниже общий КПД. Кроме того, в сравнительно теплую зимнюю погоду после второго солнечного дня темпера­тура аккумулятора поднимется еще выше, особенно если для поддержания температуры в здании требуется небольшое коли­чество тепла. На третий день температура еще больше поднимет­ся, вызвав дальнейшее повышение средней рабочей температуры коллектора.

Второй метод определения параметров теплоаккумулятора основан на количестве градусо-дней отопительной нагрузки, в соответствии с которыми система должна обеспечивать здание Определяется температурный интервал и средняя температура, затем подбирается коллектор соответствующих габаритов.

Пожалуй, одним из наиболее важных аспектов использова­ния солнечной энергии является необходимость в полногабарит­ной дублирующей отопительной системе на периоды холодной облачной погоды и на случай истощения аккумулятора солнеч­ного тепла. Если источником энергии для дублирующей системы является газ или электричество, то следует устанавливать пол­ногабаритное оборудование для обеспечения дублирующего отопления, которое может потребоваться, когда коммунальное хозяйство испытывает пиковый спрос. В настоящее время все чаще слышны выступления общественности в пользу ограниче­ния строительства электростанций, и использование солнечной энергии навряд ли уменьшит давление со стороны общественно­сти, если не будут снижены пиковые нагрузки на коммунальные службы. Если газ и электроэнергия используются для дублиро­вания, то наиболее подходящими для этого являются внепико­вые часы. В солнечном доме в Норвиче, шт. Вермонт, спроекти­рованном архит. Сту Уайтом, электроэнергия используется для нагрева огромного штабеля камней во внепиковые часы с 21 ч вечера до 7 ч утра до 30° С. Эта температура, как установлено инженерной фирмой по солнечной энергии «Тотал энвайронмен — тал экшн», достаточно высока для того, чтобы продержать зда­ние в течение всех периодов, за исключением самого холодного длительностью в сутки. В то же время температура на уровне 30° С достаточно низка, чтобы существенно увеличить приток солнечного тепла, если следующий день будет теплым и солнеч­ным

Более сложный вариант этого метода разработан фирмой «Бэрт, Хилл энд ассоушиэйтс» для конференц-центра і«Алюмніи» в г. Олбани, шт. Нью-Йорк. Простая логическая схема берет под контроль температуру теплоаккумулятора и сравнивает ее с прогнозируемыми потребностями здания в отоплении, которые основаны на ежедневных метеорологических прогнозах темпера­туры, ветра и солнечного сияния Если по прогнозу солнца не ожидается, то тепловой аккумулятор нагревается внепиковой электроэнергией до температуры, которая достаточна для под держания комфортных условий в здании в течение следующего дня. Если прогнозируется солнечная погода, то электроотопление включается ровно на столько, на сколько требуется дополнить предполагаемое солнечное тепло, если его будет недостаточно для удовлетворения общей потребности в отоплении.

Долговременный теплоаккумулятор. Экономические аспекты использования солнечной энергии непросты и еще более услож­няются тем, что случаются длительные периоды холодной, пас­мурной погоды. Помимо этого, различные компоненты солнеч­ных отопительных систем рассчитываются и детализируются до такой степени, чтобы выжать как можно больший КПД на их стыке с обычной вспомогательной системой. Такой процесс про­ектирования дорог и получающиеся системы сложны в эксплуа­тации.

Использование долговременных аккумуляторов поможет уменьшить сложности и, возможно, решить некоторые экономи­ческие проблемы. Долговременный аккумулятор лучше всего определить как устройство для хранения солнечной энергии в течение длительного времени после того, как она была уловлена например, от одного сезона до следующего, т. е. сообразуясь с законами природы. Главное различие между системой долго­временного аккумулирования тепла и обычной солнечной систе­мой заключается в первую очередь в устранении вспомогатель­ной дублирующей системы (печи) и сопутствующих составных частей на стыке двух систем. Сравним технологическую схему такой системы (рис 5 96) со схемами некоторых других систем. Тепловой насос может использовать этот долговременный акку­мулятор в качестве источника тепла (см. следующий раздел); если большой бак аккумулятора имеет достаточно высокую тем­пературу, то здание может воспользоваться теплом обычным пу­тем, например через радиационные панели или нагнетание горя­чего воздуха.

Средства, которые экономятся в результате ликвидации дуб­лирующей системы, можно использовать на сооружение отсека долговременного аккумулятора, так как 100% потребности в отоплении будут удовлетворяться за счет солнечной энергии (за исключением расхода электроэнергии для вентиляторов и насо­сов), то можно оправдать более высокие первоначальные затра­ты Например, солнечная установка с коллектором площадью 45 м2 и аккумулятором вместимостью 5 700 дм3 может стоить от 5000 до 7500 долл, включая обычный отопитель (для отопле ния в пасмурные дни) Такая конструкция дает экономию, эквивалентную 2 т жидкого топлива, каждый сезон, или 50% всей отопительной нагрузки, требующей расхода 3,8 т топлива Традиционный отопитель может стоить 1500 долл Вложив эти деньги в систему долговременного аккумулирования (отказав шись от отопителя) и, пожалуй, затратив дополнительно 1000— 2000 долл, можно сэкономить до 4 т топлива, что соответствует 100% общей отопительной нагрузки Таким образом, все затра­ты на систему могут составить от 6000 до 9500 долл, а единст венные расходы на систему отопления будут касаться только электроснабжения насосов для коллектора

Г К Хоттел сообщает, что обработка результатов испытания первого солнечного дома Массачусетского технологического ин­ститута в 1939 г показала неэкономичность улавливания летнего тепла солнечного излучения для использования его зимой (рис 5 97) В доме расположен водяной бак аккумулятор вме­стимостью около 65 т Вокруг бака уложен слой изоляции тол щиной 600 мм Температура бака была в пределах 50—90° С, и в течение двух сезонов эксплуатации тепла от дополнительного источника не требовалось Однако затраты оказались слишком высокими Вполне возможно, что эти экономические факторы из­менились с тех пор н стали более благоприятными скорее для крупных объектов, чем для односемейных коттеджей

Э А Оллкат и Ф К Хупер применили тепловую модель, составленную при помощи ЭВМ, которая показывает, что для дома в Торонто с отопительной нагрузкой 1500 кДж/(ч-град) температура теплоаккумулирующего бака вместимостью 230 т будет снижаться с 60 до 28° С на протяжении отопительного се­зона (рис 5 98) Объем аккумулятора равноценен объему отап ливаемого помещения

В доме «Солтерра», разработанном Уильямом Б Эдмундсо- ном в 1966 г, используется смонтированный на крыше коллек тор, через который проходит и нагревается воздух (рис 5 99) Нагретый воздух циркулирует по трубкам диаметром 100 мм, которые погружены в отсек теплоаккумулятора под домом От­сек имеет бетонные стены, пол и покрытие и заполнен водонасы щенной жирной глиной, песком, гравием п даже дробленым камнем Тепло можно запасать в большом количестве, так что тепло от дополнительного источника пе потребуется в течение многих недель В этом случае солнечные коллекторы можно бы­ло бы рассчитать на обеспечение всей потребности в отоплении, а вспомогательная отопительная система была бы не нужна

В своем проекте Эдмундсон принял массу влажного груша 1600 кг/м3 и удельную теплоемкость 1,84 кДж/(кг-°С) при теп-

Рис 5 96 Система долговременного аккумулирования тепла Солнечная уста повка собирает и аккумулирует тепло солнечного излучения круглый год в ясную погоду Когда необходимо тепло используется в здании Вспомога­тельной дублирующей системы (на органическом топливе) не требуется 1 — солнечный коллектор 2 — аккумулятор 3 — жилище 4 — температура 30—90° С

лоаккумулирующей способности около 2950 кДж/(м3-град). Если грунт нагревать от 27 до 55° С, то он аккумулирует около 81 650 кДж/м3. Отсек Эдмундсона имеет объем 250 м3; общая длина труб составляет 610 м, что обеспечивает поверхность теплообмена между трубами и грунтом, равную 260 м2. При вышеприведенных условиях в отсеке накопится около 20-106 кДж. Если дополнительная нагрузка дома составляет 28 485 кДж/град-день, то наружная температура может в среднем составлять (—ГС) в течение 40 дней, прежде чем израсходуют­ся 20• 106 кДж (приняв отсутствие потери тепла из отсека).

Летом тепло улавливается и хранится в отсеке. Затем оно обогащается тепловым насосом, чтобы поднять температуру, скажем, от 60 до 120° С, которая достаточна для работы конди­ционера абсорбционного типа.

Швейцарский инженер Эрнст Шёнхольцер занялся пробле­мой долговременного аккумулирования тепла в 1969 г., но в крупном масштабе и без экономического анализа. Особенно его интересовало уменьшение загрязнения городской среды зимой, тем не менее его рекомендации касались также уменьшения рас-

хода ископаемого топлива. Ниже вкратце приводятся результаты его работы [34].

Для одного здания. Допустим, что температура ак­кумулятора может быть доведена до 90° С; сбор солнечного теп­ла начинаем 1 апреля при температуре аккумулятора 25°С и продолжаем до 1 октября, доведя температуру до 90° С. Допу­стим, что температура аккумулятора снизится снова до 30° С к концу отопительного сезона (за 4380 ч).

Примем сезонную потребность в отоплении 42,2-10® кДж (в доме IV Массачусетского технологического института потреб­ность была вдвое большей, включая приготовление горячей во­ды). Аккумулятор тепла представляет собой цилиндрический сосуд для воды диаметром, равным его высоте — 6 м (около 170 м3). Для стоквартирного дома делаются те же допущения, что и выше: 42,2-106 кДж/квартира/сезон, 4-4,055-109 кДж всего для 100 квартир; температура аккумулятора 30° С 1 апре­ля и 90° С 1 октября. Тепловой аккумулятор представляет собой цилиндрический сосуд для воды диаметром, равным его высоте (29 м) (169-102 т).

Результаты. Шёнхольцер вычислил, что если тепло не исполь­зуется в течение отопительного сезона, то температура малого бака опустится до 76° С, а температура большого бака — только до 85° С (в период с 1 октября по 1 апреля). Он не проводил экономического анализа, однако предположил, что более круп­ная установка, по-видимому, будет экономичнее.

Некоторые дополнительные аспекты, касающиеся аккумули­рования тепла для долговременного хранения. Для достижения температуры 90° С могут потребоваться более дорогостоящие коллекторы (например, фокусирующего типа). Однако каждый квадратный метр коллектора будет экономить большее количест­во топлива, чем в случае эксплуатации только в зимний период.

Коллекторы могут работать круглый год, а не только летом, снабжая теплом аккумулятор даже тогда, когда он используется для отопления здания. В результате можно будет установить меньший по размеру бак, чем предложенный Шёнхольцером, или вместо этого добавить в общую потребность приготовление горячей воды.

Дом IV Массачусетского технологического института накап­ливал в день в течение зимы 3975 кДж/м2. Разумно предполо­жить, что эта цифра удвоится в летний период. Если тепло будет улавливаться только летом, то средняя цифра составит 1430 кДж/м2 за лето. Чтобы собрать 42,2 ДО6 кДж (отопительная нагрузка квартиры), площадь коллектора должна составлять 37 м2, (меньше обычно требуемой). Коллекторы могут находить­ся в горизонтальном .положении на плоских крышах вместо на­клонного. Установка аккумулятора должна быть закончена вее — t ной или в начале лета для того, чтобы было достаточно времени для нагрева бака до наступления зимы. ‘

ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОТОПЛЕНИЕ

Пожалуй, одним из наиболее часто задаваёмых вопросов людьми, которые хотят понять использование солнечной энергии для отопления (или для любой другой цели), будет вопрос: что делать, когда солнце не светит? Поняв концепцию запасания энергии, они задают следующий вопрос: но что делать, когда в аккумуляторе больше не остается тепловой энергии? Вопрос за­кономерен, и необходимость в дублирующей, часто традицион­ной системе является серьезным камнем преткновения для ши­рокого принятия солнечной энергии в качестве альтернативы существующим источникам энергии.

Относительная редкость необычно холодной и облачной по­годы в действительности не снимает остроты проблемы. Если мощности системы солнечного теплоснабжения недостаточно, чтобы продержать здание в течение периода холодной, пасмур­ной погоды, то последствия, даже один раз за зиму, могут быть достаточно серьезными, чтобы предусматривать в качестве дуб­лирующей обычную полномерную систему отопления. Большин­ство зданий, отапливаемых солнечной энергией, нуждаются в полномерной дублирующей системе. В настоящее время солнеч­ная энергия должна рассматриваться как средство снижения расхода нефти, угля, газа или электроэнергии, а не полный их заменитель.

Обычные отопители являются подходящими дублерами, но существует немало и других альтернатив. Другие «обогреватели помещения» включают камины, дровяные печи и целый ряд ка­лориферов, работающих на дровах, с КПД от 15 до 75%. Такие дублирующие устройства, как тепловые насосы, рассматривают­ся в следующем разделе.

Предположим, однако, что нам захотелось сделать систему солнечного теплоснабжения достаточно большой, чтобы обеспе­чить теплом помещение в наиболее неблагоприятных условиях. Поскольку сочетание очень холодных дней и долгих периодов облачной погоды случается редко, то дополнительные размеры солнечной энергетической установки (коллектор и аккумуля­тор), которые потребуются для этих случаев, обойдутся слиш­ком дорого при сравнительно небольшой экономии топлива. Кроме того, большую часть времени система будет — работать при мощности ниже номинальной.

Схема (см. рис. 5 60) и таблица в разделе «Определение па­раметров коллектора» показывают, что система солнечного теп­лоснабжения, рассчитанная на обеспечение 50% отопительной нагрузки, может дать достаточно тепла только на один день очень холодной погоды. При удвоении размеров солнечной систе­мы до 93 м2 дом будет обеспечен теплом в течение двух холод­ных пасмурных дней. Для периодов более двух дней последую­щее увеличение размеров будет столь же неоправданным, как и предыдущее. Кроме того, -будут периоды мягкой погоды, когда второе увеличение не потребуется.

Теперь если увеличить площадь коллекторов отопительной системы до 140 м2, чтобы продержаться три холодных и облач­ных дня, то теоретически она будет достаточной для обеспечения половины всей потребности дома в отоплении в течение зимы. Но, разумеется, па практике этого может не быть, поскольку случается иногда четыре (и более) дня подряд холодной облач­ной погоды. Чтобы учесть этот четвертый день, нам потребуется система солнечного отопления, которая теоретически может со­брать в два раза больше тепла, чем это необходимо зданию в течение отопительного сезона. Ясно, что холодные и облачные периоды могут быть более продолжительными, чем предусмо­трено в проекте системы солнечного теплоснабжения. Чем боль­ше коллектор, тем менее интенсивно используется каждое до­полнительное приращение его размеров, тем меньше энергии экономится на квадратный метр поверхности коллектора и тем меньше окупаемость капиталовложений на каждый дополнитель­ный квадратный метр.

Тем не менее предпринимались смелые попытки накопить достаточное количество тепловой энергии солнечного излучения для покрытия всей потребности в отоплении и отказаться от вспомогательной системы отопления. Массачусетский техноло­гический институт достиг этой цели со своим первым солнеч­ным домом в 1939 г., но причины здесь были другие, а осуществ­лено это было путем аккумулирования тепла круглый год при помощи огромного бака с водой. С возможным исключением та­ких систем, как солнечный дом с плоской крышей Гарольда Хэя в Калифорнии, долговременное аккумулирование тепла являет­ся, пожалуй, единственной альтернативой вспомогательной системе (см. раздел в предыдущей главе «Долговременное ак­кумулирование тепла»), В 1954 г. Доновэн и Блисс снабдили системой солнечного отопления существующее здание, которое продержалось на аккумулированном тепле в течение пяти дней холодной облачной погоды. Система была дорогостоящей, при­чем климат в Лмадо, шт Аризона, сравнительно мягкий. Гарри Томасон близко подошел к 100%-ному солнечному отоплению в своем первом доме в Вашингтоне в 1959 г.; только 5% отопи­тельной нагрузки покрывалось за счет стандартного отопителя на жидком топливе.

Если вспомогательная система покрывает лишь небольшой процент всей нагрузки, то есть смысл использовать электроотоп — ленпе, несмотря на то что оно требует производства значитель­ного количества энергии на электростанции, которая затем пре­образуется в тепло для обогрева (на электростанции расходует­ся от 10 500 до 13 700 кДж для производства 1 кВт-ч тепловой энергии в здании. Отопитель на жидком топливе с КПД 65% расходует около 5500 кДж, чтобы получить тот же результат).

В большинстве случаев электрообогреватель будет дешевле неф­тяной или газовой печи, а сравнительно небольшое количество электроэнергии, необходимой для обогрева здания, может оп­равдать его применение. Кроме того, электронагреватель — ме­нее материалоемкое устройство благодаря сравнительно неболь­шому количеству материала (по сравнению с отопителем), идущему на изготовление электроспиралей К сожалению, такая система не может облегчить проблему пикового спроса, посколь­ку зимой он обычно возникает в холодные пасмурные дни и ночи, когда накопленное солнечное тепло истощается.

Так как КПД солнечного коллектора существенно возраста­ет, если эксплуатировать его при низких температурах, то отопи­тельная система должна рассчитываться на использование как можно более низких температур — даже на уровне 24—27° С. Одно из достоинств системы Томасона, использующей теплый воздух, заключается в том, что она продолжает извлекать полез­ное тепло из аккумулятора при температурах, почти равных тем­пературе помещения. В доме IV Массачусетского технологиче­ского института имелся водовоздушный теплообменник, в кото­ром использовалось тепло при температуре водяного аккумуля­тора 29°С. Пар при температуре более 100°С является сравни­тельно высокотемпературным теплоносителем по сравнению с используемыми в отоплении горячей водой (от 30 до 70° С) или теплым воздухом (от 27 до 55° С). Попытки соединить пар с системами солнечного отопления обычно практически неосуще­ствимы. При применении паровых или высокотемпературных во­дяных систем тепло от солнечной установки должно поступать в помещение через независимую систему, например путем прину­дительной циркуляции или посредством низкотемпературных теплообменных радиационных панелей с горячей водой. Это на­иболее применимо для существующих зданий, большинство же крупных зданий имеет высокотемпературные системы

В новом строительстве отопительные системы можно рассчи­тать на использование более низких температур, например путем удлинения трубчато-ребристых радиаторов с горячей водой, уве­личения размеров радиационных панелей или увеличения объе­ма воздуха более низкой температуры. Проектировщики чаще всего останавливают свой выбор на отоплении помещения с помощью теплого воздуха или па применении увеличенных ра­диационных панелей. В системе воздушного отопления лучше всего используется низкотемпературное запасенное тепло Лу­чистые отопительные панели имеют длительное запаздывание (между включением системы и нагревом воздушного пространст­ва) и обычно требуют более высоких рабочих температур тепло­носителя, чем системы с горячим воздухом. Поэтому тепло из аккумулирующего устройства не используется в полной мере при более низких температурах, которые приемлемы для систем с теплым воздухом, да и общий КПД такой системы ниже Пре­вышение размеров системы из радиационных панелей для по­лучения результатов, аналогичных результатам при использо­вании воздуха, может повлечь за собой значительные дополни­тельные затраты.

Для того чтобы повысить общий КПД системы (солнечного отопления п вспомогательной дублирующей системы) и одновре­менно снизить общие затраты путем ликвидации простоя состав­ных частей, многие проектировщики избрали путь интегрирова­ния солнечного коллектора и аккумулятора со вспомогательной системой Общими являются такие составные элементы, как вентиляторы, насосы, теплообменники, органы управления, тру­бы и воздуховоды. На рисунках в разделе «Системное проекти­рование» показаны различные схемы таких систем Ловушкой при проектировании стыковых элементов между системами яв­ляется увеличение органов управления и движущихся частей, что повышает вероятность механических поломок. Искушение увеличить на 1—2% КПД путем добавления еще одного прибо­ра или устройства на стыке систем является почти непреодоли­мым и может быть наиболее распространенной причиной выхо да из строя солнечной отопительной системы (это также одна из основных причин упора в данной книге на простые технологиче­ские решения). Обычно вспомогательный обогреватель не дол­жен нагревать отсек аккумулятора солнечного тепла Если это происходит, то температура аккумулятора будет всегда близка к требуемой, а фаза собирания солнечного тепла будет менее эффективной, так как почти всегда этот процесс будет проте­кать при более высоких температурах. В других системах сниже­ние температуры аккумулятора благодаря использованию тепла зданием на деле повышает общий КПД системы.

Причины других недостатков этой схемы объясняются боль­шей потерей тепла из аккумулятора из-за его постоянно высо­ких полезных температур В системах, в которых вспомогатель­ное оборудование не нагревает аккумулятор, последний будет терять значительно меньше тепла при отсутствии солнца в течение нескольких дней и сравнительном охлаждении бака. Даже в спроектированных таким путем системах потери тепла из контейнера составляли от 5 до 20% всего тепла, поглощенного системой солнечного отопления. С аккумулятором, обогреваемом вспомогательным оборудованием, потеря тепла будет значитель­но выше и может быть оправдана, если контейнер аккумулятора находится внутри отапливаемого помещения здания.

Тепловые насосы. Тепловой насос применяется как комбини­рованное дублирующее и вспомогательное устройство для неко­торых солнечных энергетических установок (принципы его рабо­ты подробно объясняются в разделе [«Принципы действия тепло­го насоса».) Хотя он также используется и для охлаждения, в отопительном режиме тепловой насос представляет собой глав­ным образом холодильное устройство, работающее наоборот: оно забирает тепло из одного объема и переносит его при более высокой температуре в другой. В результате первый объем охлаждается, а второй нагревается.

В среднем на каждые 2 кДж, которые насос забирает из дан­ного объема, приходится 1 кДж, необходимый для работы устрой­ства; насос подводит 3 кДж к отапливаемому помещению. Теп­ловой коэффициент обычно определяется отношением количест­ва подводимого тепла к количеству тепла, необходимого для работы. В данном случае рабочий коэффициент равен 3. Для тепловых насосов этот коэффициент находится в пределах от 2,5 до 3. С другой стороны, прямое электроотопление подводит толь­ко 1 кДж па 1 затраченный, или тепловой коэффициент равен 1.

Главным преимуществом применения тепловых насосов для отопления помещений в сочетании с солнечной энергией явля­ется то, что запасенное тепло используется в намного более ши­роком диапазоне температур. Система с принудительной подачей воздуха без теплового насоса может работать при температу­рах аккумулятора от 24—27° С (система Томасона) до, пожалуй, 50—60° С; диапазон для системы с горячей водой будет несколь­ко выше: от 32 до 60° С. Однако при добавлении теплового насо­са температура аккумулятора тепла, составляющая 5° С, будет повышена до диапазона 30—60° С. Это потребует увеличения контейнера теплового аккумулятора, а поскольку аккумулятор часто работает при более низких температурах, то общий КПД системы солнечного отопления повышается. Помимо этого, си­стема будет собирать тепло даже при температуре коллектора 10-— 15° С. Это увеличивает количество энергии, которое эконо­мится каждым квадратным метром коллектора, и обеспечивает более быстрое окупание его высокой первоначальной стоимости.

При недостатке тепла в солнечном аккумуляторе (темпера­туры ниже 5° С) источником для теплового насоса может стать наружный воздух (в случае «воздухо-воздушного» или «воздухо­водяного» теплового насоса). При снижении температуры на­ружного воздуха ниже 5° С включаются спирали электронагрева, и система становится, в некотором смысле, электроотопительной.

Летом тепловой насос можно использовать наоборот’—для охлаждения. В сочетании с солнечными установками такой на­сос может работать ночью, охлаждая тепловой аккумулятор для следующего дня. Это дает возможность воспользоваться элек­троэнергией ночью в периоды низкого спроса, а не днем в перио­ды пикового спроса. Благодаря этому уменьшится пиковая на­грузка на электростанции, но не снизится общий расход энергии на процесс охлаждения.

Охлаждение можно также осуществлять, используя тепло­вой насос для охлаждения здания в течение дня при одновремен­ном нагреве теплового аккумулятора (используя аккумулятор в качестве теплоприемника). Тепло сбрасывается ночью через коллектор, который работает теперь как «радиатор», излучая

тепло ё прохладную ночную атмосферу. Коллекторы, Используе­мые для этой цели, работают наилучшим образом, если их уста­навливать с наклоном на север. Однако более важным, чем ориентация, является то, чтобы они не имели прозрачного верх­него покрытия. Все подобные покрытия задерживают определен­ную часть направленного во вне излучения тепла; стекло выпол­няет эту задачу настолько хорошо, что задерживает радиацию почти на 100%- Поверхность теплоприемника коллектора, дейст­вующего в качестве ночного радиатора, должна быть покрыта матовой черной краской с высокой степенью черноты, а не селек­тивным слоем, который имеет низкую степень черноты.

Хотя тепловой насос перемещает в два-три раза больше энер­гии, чем требуется для его работы, трудность оправдания его использования заключается в том, что при выработке электро­энергии на электростанции затрачивается в три раза больше ресурсов, чем затрачивается тепловым насосом. При расходе 11 920 кДж на электростанции из них 3600 кДж (1 кВт-ч) идет на тепловой насос, чтобы переместить 7385 кДж от источника тепла к теплоприемнику. Тогда общее количество тепла, посту­пившее в теплоприемник, составит 10 985 кДж (3600 и 7385), в то время как на электростанции было израсходовано 11 920 кДж. Поэтому действительный полный тепловой коэффи­циент теплового насоса близок к единице, а не к трем. Если добавить электроэнергию, расходуемую вентиляторами и насо­сами системы солнечного отопления, к энергии, которая требу­ется для теплового насоса, то общий расход энергии будет часто эквивалентен расходу энергии системой, работающей на нефти или газе, без использования солнечной энергии.

Солнечные объекты, где применяются тепловые насосы, от­личаются повышенным расходом электроэнергии, которая явля­ется дублером солнечной энергии. Например, в лаборатории г. Нагоя, Япония (принадлежащей правительственному Инсти­туту промышленных исследований) в 1958 г. тепловой насос за­тратил 1370 кВт-ч. На электростанции это потребовало выра­ботки 16,3-106 кДж, а система солнечного теплоснабжения сама поставила лишь 15,3 -106 кДж. Полная потребность здания в отоплении за сезон составила сумму солнечной энергии и энер­гии па тепловой насос (4,7+15,3 млн. = 20-106 кДж).

Второй солнечный дом Масаносуке Яиагимачи (1958) за сезон требует 67,5-106 кДж тепла. Система солнечного отопле­ния обеспечивает 47-106 кДж, но, поскольку тепловой насос по­требовал 5580 кВт-ч, на электростанции было затрачено 66,4х X10° кДж, почти столько же, сколько необходимо было для здания.

Доновэн и Блисс добились несколько больших успехов в своей лаборатории в Финиксе (1959). Общая потребность зда­ния в отоплении составляла около 37,5-106 кДж. Не менее 30 млн. кДж из этого числа обеспечивалось за счет солнечной энергии и примерно 18 млн. кДж расходовалось на электростан­ции для обеспечения работы теплового насоса, который ‘потреб­лял 1470 кВт-ч.

Административное здание с солнечным отоплением и охлаж­дением в Альбукерке, спроектированное Бриджерсом и Паксто­ном (1956), имело, пожалуй, наилучшие рабочие характеристи­ки в этом отношении. Общая отопительная нагрузка составляла около 179• 106 кДж, из которых 454-106 кДж обеспечивалось за счет солнечной энергии, а на электростанции расходовалось только 46 млн. кДж для производства 3900 кВт-ч, потребляемых тепловым насосом. Таким образом, выбор тепловых насосов не открывает прямой путь к их применению совместно с солнечной энергией. Необходим полный анализ расхода энергии за каждый месяц отопительного сезона, чтобы определить количество элек­троэнергии, которое требуется для теплового насоса для допол­нения солнечной энергии. В анализ должно войти количество энергии, затрачиваемое на электростанции для производства электричества, которое используется тепловым насосом.

Как наиболее распространенный тип коллекторов солнечного тепла плоский коллектор является предметом многих исследо­ваний Однако из-за ограничений, которые накладывает его кон­струкция на массовое производство, в предстоящие годы могут получить распространение другие типы коллекторов. Одни кол­лекторы являются вариантами плоского коллектора, в то время как другие, например, концентрирующие коллекторы, относятся к совершенно другим категориям.

Один из вариантов сам по себе плоский, но не имеет тепло­приемной «пластины» в традиционном смысле, предназначен­ной для поглощения солнечного тепла. Солнечный бассейн, по­казанный на рис. 5.77, представляет собой водоем, часто глуби­ной в несколько метров, который поглощает и аккумулирует тепло солнечной радиации круглый год. Требуемый размер зави­сит от климата, типа здания и конструкции системы, но его объ­ем (в кубических метрах) должен соответствовать площади (в квадратных метрах) отапливаемого помещения. Концепции, аналогичные этой, рассматриваются в разделе о долговремен­ном аккумулировании тепла.

Основной путь улучшения рабочих характеристик коллектора заключается в создании условий, позволяющих увеличить коли­чество энергии солнечного излучения, поступающего на коллек­тор. Модифицированный плоский коллектор, разработанный Джеральдом Фадбелом, концентрирует солнечную энергию при помощи, как он называет, отражающей пирамидальной оптики. В результате, как показано на рис. 5.78, можно уменьшить не­обходимые размеры обычно дорогостоящей пластины теплопри­емника. В основании пирамиды устроена крышка с плоским зеркалом на петлях, которую можно закрывать во время облач­ной погоды. В солнечную погоду наклон крышки можно регу­лировать, чтобы получить максимальное отражение через рас­крытый зев на поверхность поглотителя. Можно достигнуть кон­центрации, в два —четыре раза превышающей обычную плот­ность солнечной радиации. Хотя конструкция и корпус меньше­го по размерам теплоприемника могут оказаться дороже, но, пожалуй, одним из преимуществ такой конструкции является потенциальная возможность устранения проблемы замерзания

Рис, 5.77. Коллектор «солнечный бассейн»; представлен в августе 1974 г. на конференции Международного общества по солнечной энергии, Форт-Коллинз, шт. Колорадо i[12] /—тонкий слой пресной воды; 2 —сток соленой воды; 3 —верхняя перегородка; 4 — впуск пресной воды; 5 —впуск концентрированной соленой воды; 6 — изолирующий слой; 7 — рециркуляционная вода из дома; 8 — нижняя перегородка; 9 — зона конвекция; 10 — поступление горячей воды в дом; р — зачерненное дно ‘

Рис. 5.78. Пирамидальная оптическая система 1 — лучи полуденного солнца; 2 — угол верхней грани пирамиды к горизонтали 35°: 3 — угол крыши к горизонтали 27,5°; 4 — поверхность коллектора размером 0,6X2,5 м; 5 — по­толочные балки; 6 — угол панели, оптимизированный для 21 января

коллекторов водяного типа е помощью закрывающейся шар­нирной панели, когда солнца нет; это может снизить стоимость коллектора и системы. Кроме того, можно получить более высо­кие температуры теплоносителя без уменьшения КПД коллек­тора. На рис. 5.79 и 5.80 представлены фотографии системы, установленной на доме изобретателя; откидная панель показана в открытом и закрытом положениях.

Рис. 5.79. Здание с пирамидальной Рис. 5.80. Здание с пирамидальной оптической системой; панель показа — оптической системой; панель показа­на в открытом положении на в закрытом положении

Рис 5 82 Схема размещения вакуум пых солнечных коллекторов на стене и плоской крыше а — горизонтальное размещение (на крь* ше) б — вертикальное размещение (на стене) I — вакуумные стеклянные ЦИЛИН дры 2 — трубы с теплоносителем (пита ющие и обратные) 3 — отражающая по верхность

Другой вид концентрирующего коллектора был изобретен Роландом Уинстоном (рис 5 81) Его составные параболические желоба концентрируют солнечный свет на сравнительно неболь­шую часть всей поверхности теплоприемника Увеличение плот­ности солнечной радиации не только повышает КПД, но при этом уменьшается поверхность теплоприемника, что особенно важно, если, например, теплоприемник состоит из дорогостоящих фото­элементов, предназначенных для прямого преобразования сол нечной энергии в электрическую

Джеймс Эйблинг [33] составил классификацию солнечных коллекторов по их способности концентрировать солнечную ра­диацию Его данные, представленные в таблице, включают диа пазон рабочих температур и КПД коллектора Хотя коллекторы со средним и высоким уровнем концентрации обеспечивают весь ма высокие температуры (до 650° С) при сравнительно высоком КПД (до 75%), главной причиной их неприемлемости в настоя щее время для отопления или охлаждения помещений является их высокая стоимость и сложность, привносимая ими в систему отопления или охлаждения

Табл и ц а Классификация солнечных коллекторов [33] Категория Пример Диапазон рабочих темпера тур °С Возможные пределы41 КПД кол лектора % Высокая концентрация Параболоид 250—650 60—75 Средняя » Параболоцилиндр 150—400 50—70 Низкая » Плоская пластина 60—140 30—50 * Процент солнечной энергии попадающей в плоскость установки н преобразуемой в тепло в рабочей среде

Фирма «Оуэнс-Иллинойс» разработала вакуумные стеклян­ные цилиндры диаметром 100 мм для массового производства в количествах, сравнимых с производством трубок для люмине­сцентного освещения На рис 5 82 показано размещение цилинд­ров на плоской поверхности (вертикальное и горизонтальное) При достаточном расстоянии между ними во избежание затене­ния их можно поворачивать, чтобы обеспечить оптимальный угол наклона Іакая универсальность во многом способствует повышению совместимости солнечных коллекторов с конструк­тивным решением здания

Этот модуль предназначен для установки на любую конструктивно на­дежную поверхность или на специально созданную опорную конструкцию. Его можно устанавливать на существующую крышу или монтировать в качестве ее продолжения. Мы рекомендуем, чтобы последовательно соединялось не бо­лее трех коллекторов.

Технические данные по материалам

Покрытие: одинарное закаленное стекло толщиной до 5 мм; пропуска — тельная способность 92%.

Корпус теплоприемника: боковые стороны из профилированного алюми­ниевого листа толщиной 1,3 мм

Воздушный промежуток между покрытием и теплоприемником 25—30 мм.

Теплоприемник: медный лист толщиной 0,25 мм; селективное черное по­крытие: минимальная поглощательная способность 0,90; максимальная излу­чательная способность 0,12, изготовлено фирмой «Энтон, инк»; выдерживает температуру до 200° С; медные трубы: типа М диаметром 6,35 мм (наружный диаметр 9,5 мм), расстояние между трубами: 150 мм между центрами; схема расположения труб — решетка; питающие и отводящие трубопроводы: медь типа М диаметром 25,5 мм (наружный диаметр 28,5 мм); соединение труб с трубопроводами: серебряный припой, соединение между трубой и листом, мягкий припой; соединение с наружными трубопроводами: патрубки из меди типа К диаметром 25 мм (наружный диаметр 28,5 мм), выступающие на 50 мм из коллектора, питающий — вверху справа, обратный — внизу слева (если смотреть сверху); давление в трубопроводах (трубах), испытывались до 15 атм.

Тыльная изоляция теплоприемника: стекловолокно толщиной 63,5 мм,

плотность 24 кг/м3; /? = 10,4

Прокладочный материал, стекло, прессованный алюминий и неопреновая U-образная прокладка _

Атмосферостойкость — модуль может подвергаться атмосферному воздей­ствию без дополнительных мер защиты.

Общие наружные размеры модуля, устанавливаемого на открытой поверх­ности ширина 915 мм, длина 2135 мм, толщина 100 мм.

Эффективная площадь теплоприемника 1,7 м2.

Отношение полезной площади теплоприемника к общей закрытой поверх­ности 0,884

Толщина модуля 100 мм.

Площадь остекления 1,76 м2

Способ крепления: к концам рамы крепятся сплошные уголковые скобы, отверстия просверливаются при установке по требованию.

Вес модуля 54,4 кг в заполненном состоянии

Рекомендуемая скорость потока теплоносителя через коллектор: 41 дм3/(м2 коллектора в час) (77=0,9), гидравлическое сопротивление потоку при этой скорости незначительно.

Теплоноситель коллектора: теплоносителями могут быть ингибированные спирто-водные смеси, например стандартный автомобильный антифриз (вы­пускаемый фирмами «Юннон карбайд» или «Дюпон»). В районах, где в каче­стве теплоносителя используется обычная водопроводная вода, важно под­держивать показатель pH между 6 и 8. Эти коллекторы могут эксплуатиро­ваться и с другими теплоносителями, но пользователь должен получить одоб­рение изготовителя на применение специальных жидкостей.

Изготовитель оставляет за собой право изменять детали конструкции без уведомления.

Такой вариант обеспечивает долгий срок службы по сравне­нию с любым другим материалом, имеющимся в настоящее вре­мя для этого типа теплоприемника. На медный лист наносится селективный слой, а поверх устанавливается стеклянное покры­тие. Все устройство помещается в контейнер из оцинкованного листового металла. Независимые испытания, проведенные НАСА и другими организациями, показывают, что этот коллек­тор имеет очень хорошие рабочие характеристики в широком диапазоне температур.

Фирма «ППДжи индастриз» настигает фирму «Сануоркс», выпустив более дешевый коллектор, правда несколько худшего качества (рис. 5.23 и 5.24). Качество определяется в основном применением алюминия вместо меди для пластины теплоприем­ника. Первые панели были установлены без учета проблем кор­розии и в результате разрушались и протекали.

С другой стороны, панель «ППДжи индастриз» имеет очевид­ные преимущества. Вместо труб, прикрепленных к листу, алю­миниевый тсплопрнемнпк имеет уже отформованные в нем тру­бы (технология «Ролл-Бойд»), Поверхность теплоприемника покрыта черной матовой краской, а не селективным слоем, име­ет два стеклянных покрытия из закаленного изолирующего стекла «Геркулит К» фирмы «ППДжи индастриз». Эти узлы выпускаются в разных вариантах с изоляцией или кожухом с тыльной стороны теплоприемника или же без них. Сейчас в основном производстве фирма «ППДжи индастриз» переклю­чилась на выпуск медных геплоприемников.

Первая конструкция коллектора, разработанная фирмой «Сан-Эре, инк », доказана на рис. 5.25. Его отличительной чер­той является то, что горизонтальная труба встроена в коллек­тор. В коллекторах других конструкций большой диаметр труб

Рис. 5 23. Прототип солнечного коллектора фирмы «ППДжи индастриз» а — конструкция теплоприемника; / — закаленное стекло «Геркулит» 3,2 мм, 2 —алюми­ниевый теплоприеміьк; >— изоляция; 4 — трубы, наружный диаметр 12,7 мм; 5 — два слоя закаленного стекла «Геркулит» толщиной 3,2 мм, 6 — воздушный промежуток; 7 — панель теплоприемника толщиной 1,5 мм из алюминия типа 1100 (типичная конструкция устройств с двойным возд>шным промежутком)

 

Рис 5 24 Прототип солнечного кол­лектора фирмы «ППДжи индастриз» с необязательным тыльным защит­ным кожухом

1 — изолента, 2 — закаленное стекло «Гер­кулит» толщиной 3,2 мм, 3— воздушный промежуток 9,5 мм, 4 — алюминиевый теп — лоприемннк, 5 — стекловолокнистая изо­ляция, 6 — оцинкованный кожух, предо­храняющий изоляцию

Рис 5 25. Конструкция коллектора первого поколения фирмы «Сан-Эре констракшн Ко.»

1 — наружное стекло, 2 — неопреновая прокладка для остекления, 3 — внутреннее стекло, 4 — теплостойкая лента для остек пения, 5 —пластина с циркулирующим теплоносителем; 6 — распределительная труба, 7 — гибкий шланг, 8 — хомут шлан­га, 9 — уплотняющая прокладка и сикка­тив, 10 — жесткая стекловолокнистая изо­ляция, U — пароизоляционная подкладка; 12 — слой герметика, 13 — рама из прессо­ванного алюминия, 14 — опорная конструк­ция (из дерева или другого материала)

тора

/ — обратная магистраль 2 — медная многослойная панель; 3 — крепежная скоба 4 — зачерненная поверхность медного листа 5 — прогон или ригель, 6 — труба прямоуголь ного сечения, 7 — стеклянное покрытие, 8 — переходная муфта с прямоугольного на круг лое сечение, 9 — узел нащелышков, 10 — питающим трубопровод //— уплотняющая лента 12 — накладка иащелышка, 13 — одинарное или двойное остекление 14 — проклад­ка между стеклами, 15 — нащельпик, 16 — прокладочная лента, 17 — медная пластина коллектора, 18 — многослойная медная панель фирмы «Ревер», 19 — планка (25—38 мм), соответственно их большая длина и многочислен­ные ‘соединения со многими панелями существенно увеличивают общую стоимость коллектора.

Фирма «Ревер Коппер энд Брасс, инк.» разработала солнеч­ный коллектор, добавив прямоугольные медные трубы к слои­стой панельной системе, в которой тонкий медный лист соеди-

Рис 5 27. Солнечный водонагрева­тель «Соларсан» Уильяма Эдмунд — сона

/ — алюминиевые кровельные гвозди 2 — стекловолокнистая панель «Гластпл / Тед лар» или эквивалентный материал, 3 — рейка для забивки гвоздей 4 — скобы, 5 — фильтрующий материал (необязатель но), 6 — медные трубы, 7 —зеркальная мягкая алюминиевая фольга толщиной 0,08 мм или более 8 — стекловолокно їй па 703 пли 704 9 — фольга или специаль пая бумага 10 —• деревянный наспіл кры ши Изображение в разобранном виде солнечный водонагреватель «Соларсан» применительно к обычной крыше Отдел солнечною оборудования «Солар ліерд жи дапджест», п/п 17776, Сан Диего СА 92117 Патент заявлен, сентябрь 1974 г

нен с фанерой, образуя состав­ную строительную панель; эта панель используется главным образом в качестве кровли (рис. 5.26). В зависимости от требований к КПД коллектора на каждой стандартной панели размером 0,6X2,3 м располагается от двух до пяти труб. Хотя были сконструированы специальные зажимы, нащельники и муфты, рабочие характеристики и долговечность этого коллек­тора часто не отвечали требованиям.

Среди проблем долювечности может быть возможное отсла­ивание тонкого медного листа от фанеры при повышенных тем­пературах; возможная прерывность и неплотность соединения прямоугольных труб и медного листа; утечка тепла от пластины теплолриемника наружу через медный «средник», который кре­пит одинарное или двойное покрытие к коллектору.

Солнечный коллектор «Соларсан», показанный на рис. 5.27, был разработан Уильямом Эдмуидсоном, редактором ежемесяч­ного информационного бюллетеня по солнечной энергии «Солар энерджи дайджест». Хотя коллектор был задуман как солнечный водонагреватель, его легко можно приспособить к системе отоп­ления здания. Действительно, поскольку им предполагалось за­менить часть крыши, разумнее построить этот коллектор разме­ром во всю крышу, используя его как для отопления, так и для приготовления горячей воды. Так как стоимость нескольких ком­понентов можно сравнить с крышей, реальная стоимость мате­риалов коллектора может быть сравнительно невелика, возмож­но несколько более 10 долл, за квадратный метр. На чертеже не показаны многие необходимые детали, например соединение медных труб с алюминием.

Плоские коллекторы воздушного типа. Системы сбора сол­нечного тепла путем использования в качестве теплоносителя воздуха приемлемы для отопления помещений всех ТИПОВ, ОСО­
бенно в тех случаях, когда не предусматривается или в незйачй- тельной степени используется охлаждение или подогрев воды для бытовых нужд.

Воздушные системы выглядят более привлекательными, чем жидкостные, потому что требуют меньше трубопроводов и де­талей и поэтому менее дороги. Причиной сложностей с жидко­стными системами являются проблемы возможного замерзания жидкости в коллекторе; необходимость учитывать расширение жидкости при ее напрсве в системе, включая возможность мгно­венного перехода жидкости в газообразное состояние (например, воды в пар); возможность протечки системы; и коррозия метал­лических водопроводных труб Сравнительная простота воз­душных систем притягательна для людей, желающих построить свою собственную систему, по, как со всеми системами собира­ния, храпения и использования солнечной энергии, их точный расчет труден, поэтому все системы, за исключением простейших, должны проектироваться человеком, сведущим в вопросах меха­ники и теплообмена. Тем не менее воздушные коллекторы срав­нительно легко содержать и ремонтировать. Вентиляторы, при­воды демпферов и органы управления могут отказать, однако крупные узлы, в том числе коллектор, аккумулятор тепла и воз — духозоды должны иметь длительный срок службы.

Изготовление воздушных коллекторов и связанных с ним уз­лов и систем сравнительно просто, если сопоставить со слесар­но-водопроводными работами и попытками найти и использовать пластину теплоприемника, пригодную для жидкостных систем. За исключением конструкции д-ра Гарри Томасона, в которой вода стекает по волнистому металлическому листу, в большин­стве конструкций теплоприемника трубы крепятся к ним или составляют с ними одно целое, причем обращаться с этими уз­лами непросто даже для квалифицированных рабочих. Легче содержать теплоприемник в системе воздушного коллектора; поскольку они не соединены с водопроводной системой, которая должна быть герметичной, и поскольку они не требуют строгого учета расширения и сжатия, нет нужды изготавливать их с боль­шой точностью.

По с}ти дела, для коллекторов воздушного типа теплоприем­ник необязательно должен быть металлическим. Так как во мно­гих типах коллекторов воздух соприкасается с поверхностью любого материала, нагреваемого солнцем, тепло необязательно должно передаваться от одного участка поверхности теплопри­емника к другому, как в случае жидкостных коллекторов. Почти любая зачерненная поверхность, которая нагревается солнцем, б>дет передавать тепло воздуху, обтекающему ее. Такой меха­низм теплообмена открывает множество вариантов выбора по­глотителей.

Рэймонд Блисс и Мэри Доновэн использовали черный четы­рехслойный хлопчатобумажный экран для изготовления тепло-

1 — впуск холодного воздуха, 2— изоли­рованное днище, 3— черное покрытие, 4— выпуск горячего воздуха, 5 — верхнее стеклянное покрытие, 6 — прозрачное стек­ло, 7 — промежуток в 6,3 мм

приемников для объекта «Дезерт грасслэнд стейшн» в шт. Ари­зона, а д-р Джордж Лёф использовал закрашенные черным пластины стекла в своем доме в Колорадо (рис. 5.28); стеклян­ные пластины (0,45 м) на две трети перекрывают друг друга. Каждая пластина состоит из двух частей: черной и прозрачной. Черное покрытие получают путем нанесения черного стеклошла­ка на обычное оконное стекло и выдерживания его в отжиговой печи. Пластины закрываются сверху двумя слоями стекла. Че­тыре секции по 1,2 м располагаются в ряд с наклоном 60° от го­ризонтали. Первоначально из-за неправильного способа закреп­ления кромок стекло трескалось при расширении и сжатии. Спо­соб закрепления был изменен и стекло не разбивалось. Если кромки стекла не защищены, пластина будет трескаться и в ко­нечном счете раскалываться. Под руководством д-ра Эрика Фарбера в университете шт. Флорида черные секции пластин Лёфа были заменены зачерненным алюминием с пахлеегкой тем же способом.

Разумеется, можно применять для теплоприемника и метал­лические пластины. Понятно, что не только металл является долговечным и эффективным, но он предпочтительнее для тех случаев, когда солнечная радиация поступает не на всю поверх­ность теплоприемника, соприкасающегося с движущимся воз­духом. Металл также способствует устранению «горячих мест», вызванных неравномерным потоком воздуха над поверхностью, распределяя избыточное скопление тепла на другие поверхно­сти, а от них к воздуху. В своих исследованиях Дж Д. Клоуз [10] определил относительные преимущества размещения воз­духоводов по отношению к светонепроницаемым металлическим

Ш

пластинам теплоприемников. Три основные конфигурации пока­заны на рис. 5.29: тип I, в котором воздуховод помещен между пластиковым покрытием и поверхностью теплоприемника; тип II, в котором дополнительный воздуховод располагается по­зади пластины теплоприемника, и тип III, в котором отсутствует верхний воздуховод, а используется только воздуховод, распо­ложенный за пластиной теплоприемника. Воздухоподогреватель типа II имеет более высокий КПД, чем другие два типа, когда содержащийся в нем воздух « наружный воздух имеют примерно одну и ту же температуру. Однако при увеличении разности между температурой коллектора и температурой наружного воздуха лучшие характеристики будет иметь устройство типа III. Примерная схема коллектора воздушного типа, который был применен в экспериментальном солнечном доме Института эко­номии энергии при университете шт. Делавэр, показана на рис. 5.30. В своей основе это коллектор типа III с дополнитель­ной составной частью — фотоэлементами, которые преобразуют солнечный свет в электричество помимо основной задачи кол­лектора подавать нагретый воздух в помещение.

Дж. Д. Клоуз сделал также вывод, что чем выше рабочая температура коллектора, тем большее значение приобретает коэффициент теплообмена между поверхностью теплоприемника и воздухом. В летний период, когда температура коллектора может быть лишь на 15—20° выше наружной температуры, эф­фективность одного ровного металлического листа можно срав­нить с эффективностью ребристой пластины или поверхности с V-образной волнистостью (рис. 5.31). Однако в районах с про­хладным и холодным климатом, где разность температур кол­лектора и внешней среды может достигать 55°, ребристая пластина (рис. 5.32) на 5—10% более эффективна по сравнению с плоской пластиной, а пластина с V-образной волнистостью—■ па 10—15%.

Рис 5 30 Попереч­ный разрез элек­тротеплового плос­кого коллектора для солнечного дома при универ­ситете шт Делав­ар

I — стропила 2 — vit лотненпя і — плек сшлас с абситовым покрытием 4 — эла стичнып клеи, б— бутиловый каучук, б — солнечные эле менты, 7 — гермети ческое уплотнение 8 — воздуховод 9 — изоляция, 10 — рас­порки, обеспечиваю щие равномерный воздушный поток

Задняя сторона пластины теплоприемника должна быть окрашена в черный цвет, если ее обтекает воздух. Поверхность, отделяющая задний воздуховод от изоляции, должна быть по­крыта отражающей фольгой; однако если применяется перфо­рированная пластина, отделяющая поверхность должна быть черной и должна служить в качестве еще одной поверхности теплообмена.

Например, Уиллиер показал [43], что путем замены обыч­ной сплошной пластины теплоприемника зачерненной прово-

лочной или пластиковой сеткой, дающей возможность нижеле­жащей поверхности воздуховода поглощать половину излуче­ния, можно удвоить величину h (эффективный коэффициент теплопередачи между теплоприемником и воздушным потоком), обеспечив увеличение отвода тепла па 10—15%. Удовлетвори­тельные значения h находятся в пределах 34—68 Вт/(м2-град). Предпочтительнее более высокие значения h при условии, что затраты на подкачку воздуха не становятся слишком высокими. Другие способы увеличения эффективной площади поверхности теплоприемника, а следовательно, и повышения коэффициента теплопередачи представлены на рис. 5 33, 5.34 и 5.35.

Поскольку теплоприемник можно изготовить из неметалли­ческих материалов, вполне вероятно значительное снижение стоимости солнечных коллекторов, что стимулирует изготовите­лей исследовать эту альтернативу жидкостным системам с целью производства изделия, более конкурентоспособного по стоимо­сти. К сожалению, с воздушными коллекторами проводилось сравнительно мало исследований и разработок. Это объясняет­ся главным образом традиционной приверженностью к жидкост­ным системам Изготовители и другие заинтересованные лица заваливаются информацией по жидкостным системам и счита­ют их наиболее легко осуществимыми. Из-за обилия такой ин­формации дальнейшие исследования проводятся в основном с жидкостными системами, поэтому дисбаланс только углуб­ляется.

Независимо от того, изготовлены теплоприемники из метал­ла или нет, важно, чтобы движение воздуха через промежуток над поверхностью теплообмена было турбулентным. Обычно воздушный поток является ламинарным, т. е. воздух, прилегаю­щий к поверхности, сравнительно неподвижен, в то время как воздух над поверхностью движется спокойными ненарушенны­ми слоями. Такой режим течения обеспечивает плохую теплопе­редачу: неподвижный воздух вблизи поверхности теплоприемни­ка нагревается, а движущийся над неподвижным слоем воздух не соприкасается с поверхностью теплообмена.

Устранить этот недостаток можно с помощью турбулентного потока, который рассматривается в двух масштабах. В макро­масштабе турбулентный поток можно проиллюстрировать завих­рениями дыма, вдуваемого в какой-либо объем; эти завихрения легко наблюдать визуально. В микромасштабе тот же эффект должен иметь место непосредственно у поверхности теплопри­емника

Чтобы создать турбулентность в макромасштабе, теплопри­емник не должен быть плоским, а должен быть как можно бо­лее шероховатым, заставляя воздух двигаться во всех направ­лениях Эту функцию хорошо выполняют ребристая пластина и V-образные волнистости,

/ — воздушный промежуток в 25—50 мм, 2 — полиэфирная смола, армированная стеклово­локном, 3 — светопроницаемая изоляция (или второе стеклянное покрытие), 4 — черный ме­таллический лист, 5 — пластмассовое покры­тие, 6 — отражающая поверхность 7 — стек ловолокнистая изоляция толщиной 150— 250 мм, 8 — декоративное покрытие

Чтобы создать турбулентность в микромасштабе, поверх­ность также должна быть шероховатой с как можно большим количеством острых выступов. Примерами таких грубых по­верхностей могут служить слой, подобный мелкому гравию (рис. 5.36); воздушные фильтры для печей; ткань; сетка и пла­стина с пробитыми отверстиями (рис. 5.37). Если к алюминие­вому листу прикрепить тысячи миниатюрных волосков (или прямых шпилек, заделанных в его поверхность), эффективность теплопередачи еще более увеличится благодаря большей пло­щади поверхности и созданию микротурбулентиости самими волосками. Еще больший эффект достигается, если алюминие­вая пластина с волосками состоит из ряда отдельных секций, вызывающих макротурбулентность воздушного потока.

При турбулентности возникает перепад давления в коллек­торе Сложная конфигурация поверхности и множество препят­ствии воздушному потоку требуют установки достаточно мощно­го вентилятора, а следовательно, и большего расхода энергии для создания воздушного потока. Необходимая для этого энер­гия может свести на нет экономию от использования солнечной знеріии, особенно если вентилятор работает иа электричестве и если учитывается количество топлива, которое сжигается на электростанции для производства электроэнергии. Рэй Блисс и Мэри Доновэн решили эту проблему в своей установке для объ­
екта «Дезерт Грасслэнд Стейшн». Вместо создания турбулент­ности воздух продувается через четыре слоя черной хлопчато­бумажной сетки (рис. 5.38).

Для коллекторов воздушного типа факторы, влияющие на гыбор краски для теплоприемника, селективных поверхностей и покрытий, аналогичны уже рассмотренным выше для коллек­торов жидкостного типа Однако следует сделать несколько за­мечаний Пожалуй, один из основных недостатков неметалличе­ских поглотителей для коллекторов воздушного типа заключает­ся в относительной трудности нанесения селективных покрытий Пока не усовершенствуется технология нанесения таких покры­тий, будут преобладать металлические теплоприемники для коллекторов воздушного типа Когда можно будет легко нано­сить селективные покрытия на неметаллические теплоприемни­ки, появятся сравнительно дешевые, но в то же время эффектив­ные коллекторы воздушного типа.

Клоуз [10] продемонстрировал значение селективных по­крытий для коллекторов воздушного типа. При всех прочих рав­ных условиях для теплоприемника с селективным покрытием эффективность его работы повышается от 50 до 65% при низ­ких рабочих температурах и от 15 до 35%-—при повышенных температурах. Клоуз не исследовал для этого случая влияние кратности остекления, тем не менее можно экстраполировать из исследований коллекторов жидкостного типа, что двойное остек­ление или нанесение селективного слоя влияет на КПД коллек­тора аналогичным образом.

Холланде [18] показал, что можно существенно улучшить рабочие характеристики нагревающего воздух теплоприемника с помощью V-образных волнистостей, рассмотренных выше (ом. рис 531). Помимо увеличения поверхности теплопередачи эта пластина увеличивает поглощение лучистой энергии, поскольку прямое излучение, попадающее на волнистости, отражается не­сколько раз, при этом поглощение происходит на каждой из по­верхностей. При правильной ориентации поглощательная спо­собность такой пластины намного выше, чем у плоского листа, а увеличение излучательной способности сравнительно невелико.

Важным соображением при конструировании коллектора яв­ляется предупреждение утечки воздуха. Поскольку нагретый солнцем воздух подается вентилятором под давлением, сущест­вует возможность утечки даже через небольшие щели, а также

Рис 5 38 Солнечный коллектор Доновэн и Блисса с черной сеткой

1 — черная сетка; 2 — впуск воздуха; 3 — выпуск воздуха
засасывание в эти щели холодного наружного воздуха. Многие конструкторы считают, что предупреждение утечки важно для жидкостных систем, но это имеет не меньшее значение для по­вышения КПД воздушных коллекторов. Воздухонепроницае­мость является важнейшим фактором в конструкции всей систе­мы воздушного потока, включая воздуховоды и демпферы Осо­бая тщательность должна быть соблюдена при устройстве пере­плетов остекления во избежание утечки воздуха, использование больших листов пластика значительно снижает число стыков при остеклении. Подобно вторым оконным рамам, уменьшаю­щим проникновение воздуха в здание, второе и третье прозрач­ное покрытие уменьшает утечку воздуха в коллекторах воздуш­ного типа.

Для домов Джорджа Лефа были сконструированы и изготов­лены различные коллекторные панели в виде отдельных секций, а затем собраны в один большой коллектор. Такой способ изго­товления может уменьшить вероятность утечки и более предпоч­тителен при массовом производстве, обеспечивая при этом сни­жение стоимости.

Если коллектор будет изготавливаться и собираться на месте, то в конструктивных элементах, отделяющих отсеки теплоприем­ника друг от друга, можно сделать перфорации, позволяющие воздуху поступать из одного отсека в другой, выравнивая тем самым давление и воздушный поток через разные панели По сравнению с жидкостями предсказание и равномерное распре­деление потока газов или воздуха представляет собой более трудную задачу. В случае панелей заводского изготовления, ко­торые собираются на площадке, в конструкции должен пред­усматриваться допуск на изменение и регулирование воздуш­ного потока. Трудность предсказания и контроля за движением воздуха является одной из причин предпочтения инженерами жидкостных систем солнечного нагрева.

Уиллиер [43] сообщил, что применение тонкого листа пла­стика для остекления сетчатой пластины теплоприемника дало неожиданно хорошие результаты. Он утверждает, что случайные колебания давления над теплоприемником под действием ветра, дующего над пластиковым прозрачным покрытием, вызывают легкое «хлопанье» этого покрытия, в резулыате чего возникает небольшой пульсирующий поток воздуха через сетку. Этот по­ток значительно увеличивает коэффициент теплопередачи, улуч­шая общие характеристики коллектора. Он сообщил о 10%-ном увеличении КПД.

Турбулентный поток воздуха, обтекающий теплоприемиик, увеличивает потери конвекцией в коллекторе воздушного типа по сравнению с аналоїичпым коллектором водяного типа. Поэто­му потери на длинноволновое обратное излучение от поверхно­сти теплоприемника через прозрачное покрытие составляют меньшую часть общих тепловых потерь коллектора, чем для коллекторов водяного типа. Это значит, что наряду с стеклом, почти непроницаемым для длинноволнового обратного излуче­ния, такие пластиковые покрытия, как «Тедлар» (поливинил­фторид) с коэффициентом пропускания длинноволнового излу­чения 0,4, могут применяться при сравнительно небольшом от­рицательном эффекте

Одна из трудностей использования воздуха вместо воды или других жидкостей заключается в его довольно низкой спо­собности хранить тепло и его малой плотности. Удельная тепло­емкость воздуха 0,24; воды 1. Плотность воздуха при обычных условиях составляет около 1,2 кг/м3, а воды— 1000 кг/м3. Та­ким образом, через коллектор требуется пропустить значитель­но большее количество воздуха, чем воды, как по объему, так и по весу. Например, если через коллектор циркулирует 30 дм3 воды, то для переноса того же количества тепла потребуется 120 кг, или 100 м3 воздуха.

Ввиду низкой теплоемкости воздуха появляется необходи­мость создавать габаритные рабочие объемы, где он может цир­кулировать, даже в самом коллекторе. Воздушные промежутки в коллекторах (например, между пластиной теплоприемника и прозрачным покрытием) составляют 40—150 мм. Вообще чем больше размер воздуховода, тем меньше перепад давления (со­противление движению воздуха), но тем хуже теплопередача от теплоприемника к воздуху. Для плоских теплоприемников из листового металла воздуховодный промежуток составляет 12— 25 мм. Более крупные воздуховоды требуют больших затрат как по расходу материалов, так и по занимаемому объему. Диаметры воздуховодов 40—65 мм считаются оптимальными для большин­ства крупных коллекторов, которые объединены с системами естественной циркуляции или с системами, имеющими длинные воздуховоды (4,5 м и более).

Температура теплоприемника в коллекторе типа I, показан­ном на рис. 5 30, сравнительно высока. При этом тепло теряется непосредственно с обратной стороны теплоприемника. В коллек­торах типа II и III па том же рисунке горячая поверхность теп­лоприемника омывается также и с тыльной стороны турбулент­ным воздушным’ потоком, который несколько холоднее, чем теп — лоприемпик Для этих типов коллекторов требуется меньше изо­ляции, чем для коллекторов типа I.

Рабочие характеристики коллектора. Существует много под­робных трактовок рабочих характеристик коллектора рядом авторов, работающих в области солнечной энергии; среди них прекрасная статья Остина Уиллиера «Конструктивные факторы, влияющие на рабочие характеристики солнечного коллектора» в книге «Низкотемпературные области применения солнечной энергии» [22]; другие приведены в классических книгах «Рабо­чие характеристики плоских коллекторов» Хоттела и Вурца,[19] и «Вывод выражений для коэффициентов полезного дейст-

Вйя теплоприемников, полезных при проектировании плоских солнечных коллекторов» Рэймонда Блисса [6]. Без увеличения стоимости коллектора может быть достигнуто лишь незначи­тельное повышение общего КПД. Повышение эффективности использования энергии солнечного излучения часто требует уве­личения затрат, которые не всегда окупаются за срок службы коллектора. Стремление многих инженеров, занимающихся сол­нечной энергией, создавать коллекторы с повышенным КПД без учета их возросшей стоимости неоправданно.

Обобщенные рабочие характеристики коллектора. Ниже при­ведено уравнение теплового баланса коллектора в установив­шемся режиме для определения количества энергии, которое солнечный коллектор может поглотить и отдать теплоносителю, находящемуся в контакте с поверхностью теплоприемника:

я0 = К» ~ Н1

полезное тепло, погло — = мощность солнечного — тепловые потери кол- щенное коллектором излучения, достигаю — лектора

щего теплоприемни­ка

Поглощенное полезное тепло Я с обычно определяется путем измерения скорости потока теплоносителя и разности его темпе­ратур на входе и выходе из коллектора. Скорость потока, кг/(м2-ч), умножается на эту разность температур на входе и выходе; полученное произведение в свою очередь умножается на удельную теплоемкость теплоносителя, которая составляет (Для воды 4,2 кДж/(кг-град) и 1,5 кДж/(кг-град) для воздуха. Полученная величина представляет собой удельное количество тепла, собранного коллектором и измеряемого в Дж/(м2-ч) или Вт/м2;

полезное тепло = массовая ско — х удельная теп — X разность тем — поглощенное рость потока лоемкость ператур на

коллектором теплоносителя входе и выходе

яЛ^ї-1=Г—її-

L (м2-ч) J L (м3-ч)

Хотя Я с предполагает, что все собранное тепло пошло в дело, это не всегда так, особенно е|сли имеются потери энергии из воз­духоводов или труб или из аккумулятора тепловой энергии.

Общее количество солнечной энергии /, попадающей на сол­нечный коллектор, обычно выражается в Вт/м2, кал/(см2-мин) или кДж/(м2-ч). Этот вопрос рассматривается в разделе «Сол нечная радиация». По существу (рис 5.39), чем выше плотность солнечной радиации, тем выше общий КПД коллектора. Однако введение надежных данных по радиации для определенного пункта местности является одной из наиболее трудных задач в предсказании рабочих характеристик коллектора. Приводятся некоторые полезные советы по подходам к решению этой задачи На рис, 5,40 показано изменение расчетных ежемесячных харак —

терислнк одинаковых коллекторов, расположенных в двух раз ных районах: Бостон, шт Массачусетс, и Мадисон, шт. Вискон син. Несмотря на то что температуры в обоих случаях меняются во времени, можно видеть, что характер изменения характери стик коллектора в основном зависит от условий поступления солнечной радиации в этих районах

При проектировании и эксплуатации солнечных установок важно иметь в виду то, что, поскольку поюдные условия суще сгвенно меняются не только в течение суток, месяца или года,

Рис 5 39 Влияние плотности по тока солнечного излучения на КПД коллектора (представленные величины относятся к определен­ному коллектору, прошедшему ис­пытанию в университете шт. Пен­сильвания, и не могут применяться ко всем типам коллекторов)

температура наружного воздуха по стоянна, / — 950 Вт/м2, г—630 Вт/м2, 3 — 320 Вт/м2

Рис 5 40 Зимние рабочие характеристики вертикальных, обращенных на юг плоских солнечных колекторов в Бостоне и Мадисоне (конструкция двойное остекление с воздушным промежутком поверх зачерненного медного листа, охлаждаемого водой, хорошая изоляция снизу) [31], полезное тепло 103 кДж>2 в месяц

а — Бостон, шт Массачусетс, б — Мадисон, шт Висконсин (температура коллектора)

200

рйС 5 41 Изменение эф­фективности коллектора во времени при отсчете в часах от солнечного полдня для перепадов температур 30 и 50° при одно — и двухстеклянном покрытии и плоском за­черненном теплоприемни­ке с селективным покры­тием (типа, разработан­ного Тэйбором) и одним слоем остекления

21 июля, 40° с ш, ясный день, наклон коллектора 40° к горизонтали, А и D се лективное покрытие один слой остекления, В и Е черная поверхность, два слоя остекления С и F черная поверхность, один слой остекления

но иногда и в течение часа, система, спроектированная для средних условий, не может все время функционировать одинако­во Кроме того, весьма сложно получить за прошлые периоды данные по инсоляции как по причине неточных приборов, при­менявшихся за последние 20—30 лет для измерения солнечной радиации, так и в связи с довольно небольшим числом метеоро­логических станций (примерно 75 станций в Соединенных Шта­тах), где измеряется солнечная радиация. Как и в случае с тем­пературой, инсоляция существенно меняется от одного района к другому, даже если расстояние между ними невелико

Как теперь должно быть ясно, непредсказуемое количество солнечной энергии требует, чтобы она рассматривалась как до­полнение к другим источникам энергии Возможно, что в буду­щем развитие долговременных систем аккумулирования энер­гии поможет решить проблемы, связанные с нерегулярным по­ступлением солнечной энергии Однако точный расчет режима поступления солнечной радиации имеет меньшее значение, чем это обычно предполагается, поскольку изменение солнечной ра диации, скажем, на 10% повлияет на общий КПД системы в пределах 3%, при этом весь КПД может составлять 40%. Кроме того, коллекторы нс всегда будут работать, когда светит солн­це, ло ряду причин, например когда потребителю тепловая энер — I ия не требуется. Или рано утром и поздно вечером, когда ин­тенсивность излучения недостаточно велика для работы коллек — юра или угол падения лучей па коллектор настолько мал, что бблпная часть лучей отражается от панели (рис 5 41). Коллек­торы могут не работать во время частично солнечных периодов, когда солнце на короткое время закрывается облаками. В те­чение шестимесячного отопительного сезона 25% энергии солнеч­
ной радиации будет попадать на хорошо спроектированный кол­лектор в тот период; когда он не включается в работу.

Количество лучистой энергии, которое поступает на коллек­тор, Яа уменьшается затем пропорционально величине пропу — екательной способности т прозрачных покрытий и величине по­глощательной способности а теплоприемника. Обе эти величи­ны зависят от угла падения лучей. Стекло и пластмасса пример­но на 90% пропускают свет под прямым углом, однако в тече­ние дня средний коэффициент пропускания может составлять 70—75% для одинарного остекления и 62—67% для двойного Поглощательная способность поверхности теплоприеміника в меньшей степени зависит от угла падения лучей и в большей от характеристик самой поверхности. Величина общей эффектив­ности может быть уменьшена на 3—5% в результате потерь вследствие запыления покрытий и затенения, создаваемого бо­ковыми стенками коллектора и опорными стойкими переплета остекления. Тогда мощность солнечного излучения Яа, достига­ющего теплоприемника, будет

Яа = (0,96)/та.

Тепловые потери теплоприемника Ні представляют собой сумму большого числа различных потерь, в том -числе радиаци­онных потерь, потерь тепла в окружающий воздух вследствие конвекции и теплопроводности и потерь вследствие теплопро­водности от коллектора к более холодным частям системы — через изоляцию и материалы конструкции.

Эти потери меняются под влиянием следующих факторов: средней температуры пластины теплоприемника (рис. 5.42); температуры наружного воздуха (рис. 5.43); эффективной температуры небосвода, которая обычно — на 5— 15° ниже температуры окружающего воздуха и которая влияет на радиационные потери тепла;

Рис 5 44. КПД плоских коллекторов в зависимости от кратности остекления а — тыльная часть коллектора открыта для наружного воздуха, №>=0,852 Вт/(м2 • град), общая солнечная и атмосферная радиация равна 2 кДж / (см2 • сут) на 15 января, 42° с ш, А — один слой остекления, В — два слоя остекления С — три слоя остекле­ния, 6 — потерь тепла от тыльной стороны коллектора нет, общая солнечная и атмо­сферная радиация равна 2 кДж / (см2 сут) на 15 января, 42° с ш.

скорости ветра, которая оказывает меньшее влияние при увеличении числа прозрачных покрытий и понижении темпера­туры коллектора;

кратное і и остекления и в меньшей степени расстояния меж­ду стеклами;

также их пропускательной способности по отношению к длинноволновому инфракрасному излучению;

количества и типа тыльной и боковой изоляции.

Суммарное влияние последних двух факторов (остекления и тыльной изоляции) показано на рис. 5.44 Джорданом и Трел — келдом. На первом графике представлены КПД коллекторов с одним, двумя и тремя стеклами, а также незакрытых коллекто­ров с величиной U через заднюю стенку 0,85 Вт/(м2-град). Вто­рая группа кривых относится к тому же коллектору, но с одной стороной, открытой в отапливаемое внутреннее помещение, теоретически не имеющему потерь тепла с задней стороны. При низких рабочих температурах почти нс наблюдается разницы в характеристиках, однако при более высоких рабочих темпера­турах отмечается существенное повышение КПД, если умень­шить потери тепла через заднюю стенку. Как указывалось ра­нее, оптимальное количество прозрачных покрытий для соответ­ствующей разности температур между коллектором и наружным воздухом должно дополняться соображениями стоимости, а так­же особенностями строительства и ремонта.

Рис. 5.45. Обобщенная зависи­мость между выходной мощно­стью коллектора и скоростью по­тока теплоносителя

Первый пункт из выше­перечисленных, а именно, средняя температура пла­стины теплоприемника явля­ется одним из решающих элементов в оптимизации конструкции такой системы. Как показано на рис. 5.42, при постоянных наружных температурах КПД коллек­тора снижается почти по линейной зависимости при повышении его собственной темпера­туры. Эта температура зависит от нескольких факторов:

скорости потока теплоносителя через коллектор (рис. 5.45); вида теплоносителя (газ или жидкость); температуры, при которой теплоноситель поступает в кол­лектор;

}гла наклона коллектора;

коэффициентов теплопередачи между теплоносителем и пла­стиной теплоприемника.

Для коллекторов жидкостного типа с трубами и пластинами необходимо добавить следующие факторы:

теплопроводность соединения между трубами и пластиной теплоприемника;

эффективность оребренной плоской пластины, которая обус­ловливается материалом пластины, ее толщиной и расстоянием между трубами.

Оптимальная скорость потока теплоносителя меняется в за­висимости от условий работы. Вообще, разумеется, чем выше скорость потока, тем ниже рабочая температура и тем выше КПД коллектора. Вода остается наиболее приемлемым тепло­носителем для солнечных коллекторов. Многие ее недостатки обсуждались выше, а вот ее преимущества: низкая стоимость; низкая вязкость, обеспечивающая малые затраты энергии на пе­рекачку; сравнительно высокая плотность и удельная теплоем­кость и хорошая теплопроводность.

Другими рассматриваемыми жидкостями являются этилен­гликоль, пропиленгликоль, масло, полигликоли и силиконовые жидкости. Большинство этих вариантов можно изъять из даль­нейшего рассмотрения из-за их неудовлетворительных характе­ристик, например высокой стоимости, высокой вязкости, проб­лем коррозии, разложения при высоких температурах или низ­ких температур воспламенения.

т

Этиленгликоль (антифриз) является наиболее распростра­ненной добавкой к водяным системам. Процент добавления гли­коля к воде тот же, что и для автомобилей в той же местности. Гликоль несколько плотнее воды, но имеет меньшую теплоем­кость. Для 25%-ного водного раствора гликоля совокупное влия­ние на КПД составляют чистые потери (5%) при той же скоро­сти потока теплоносителя (кг/ч). Для 50%-ного раствора сниже­ние КПД составляет около 17%. Для систем отопления поме­щений оптимальная массовая скорость теплоносителя находит­ся обычно в пределах 20—50 кг/(м2-ч) воды и 75—200 кг/(м2-ч) (примерно 85—250 дм3 в 1 мин) воздуха.

Джон Минарди и Генри Шуан из Дэйтонского университета провели испытания коллектора, в котором черная жидкость с высокой поглощательной способностью течет в прозрачных каналах и непосредственно поглощает солнечную энергию. Ни­какого металла не требуется, вся поверхность плоского коллек­тора покрыта прозрачными трубами. Испытания показали, что такие жидкости, как тушь, обеспечивали КПД, сравнимый с КПД металлических плоских коллекторов [30].

На рис. 5.46 показана еще одна зависимость, обычно исполь­зуемая для определения КПД коллектора: чтобы устранить влияние различия в величинах потока солнечной радиации в том или ином случае, разность температур коллектора и наружного воздуха делят на плотность потока солнечной радиации.

Реальные характеристики солнечного коллектора, выпущен­ного фирмой «ППДжи индастриз» в 1974 г., при плотностях по­тока солнечной радиации 0,95—1,03 кВт/м2 показаны на рис. 5.47. Другие экспериментальные результаты «базового» коллектора фирмы «ППДжи индастриз» при увеличении скоро­сти потока теплоносителя приведены на рис. 5.48 [25 кг/(м2-ч) для их коллектора площадью 1,7 м2].

На рис. 5.48 проиллюстрированы также интересные зависи­мости температуры коллектора от плотности потока солнечной радиации, времени суток и наружной температуры. Когда ука­зывается температура коллектора, необходимо уточнять, имеет­ся ли в виду температура на выходе, на входе или средняя тем­пература. Общий вид температурного градиента температуры от входа до выхода представлен на рис. 5.49; для реальных ус­ловий испытания более подробные кривые показаны на рис. 5.50. Также показана зависимость между температурой теплоприем­ника и температурой воды. («Воздушная» температура — это температура воздуха, заключенного между пластиной теплопри­емника и первым верхним прозрачным покрытием. Общий вид температурного поля в поперечном сечении типичного коллекто­ра приведен на рис. 5 51.)

Рабочие характеристики коллектора воздушного типа. Боль­шая часть общего обсуждения характеристик коллектора была направлена скорее на жидкостные, а не на воздушные коллекто-

Температура коллектора минус тем­пература наружного Воздуха, деленное на плотность потока солнечной радаа ции tc ta

Рис 5 46 Обобщенная зависимость между КПД коллектора и рабочими условиями

/ — коллектор с лучшими показателями

2 — коллектор с хорошими показателями

3 — коллектор с худшими показателями

Эффективность коллектора

Рис 5 47 Сравнение эксперименталь ных и теоретических результатов по прототипу базового коллектора фир мы «ППДжи индастриз»

размеры 870X1940 мм — примерно 17 м9 верхнее покрытие прозрачное закаленное стекло «Геркулит» толщиной 3 2 мм теп лоприеміник алюминиевый лист «Ролл Бонд» толщиной 1 5 мм (тип 1100) трубы внутренним диаметром П мм с расстоя нием между центрами 63 5 мм покрытие поверхности теплоприемника «Дюракроп Супер» фирмы «ППДжи индастриз > L/G600 (UC40437) изоляция стекловолок но толщиной 75 мм угол наклона 45° ориентация на юг Гвозд = 20° С скорость ветра 16 км/ч исходные данные расчет полевые данные, cj(A, Вт/ад2 95Q и 950—1030

ры Хотя графики и кривые ча­сто можно экстраполировать на воздушные системы, однако характеристики коллекторов воздушного типа менее пред­сказуемы, чем коллекторов во­дяного типа Трудность выпол­нения инженерных расчетов воздушных систем является од ной из основных причин нежс лания инженеров иметь с ними дело. Эта тема хорошо разби рается в книгах «Тепловые про­цессы с использованием солнеч­ной энергии» Джона Даффи и Уилльяма Бекмана [14] и «Принципы теплопередачи» Фрэнка Крейта Книга «Тепло­вые процессы с использовани­ем солнечной энергии» незаме­нима при определении КПД воздушных коллекторов при заданной плотности потока сол­нечной радиации, расстоянии между прозрачными покрытия­ми, температуре на входе, тем­пературе окружающего возду­ха, скорости потока воздушной массы, отношении ширины воз­духовода к его длине и при данной степени черноты и по­глощательной способности по­верхности теплоприемников.

Пожалуй, наиболее измен­чивым и сравнительно непред­сказуемым аспектом рабочих характеристик коллекторов воздушного типа является теп­лопередача между воздухом и поверхностью теплоприемников различных видов (металличе­ская сетка, сетчатая ткань, ма териалы воздушных фильтров и др ) Также трудным являет­ся инженерное решение комп­ромисса между теплообменом и перепадом давления в кол­лекторе, которое возрастает по

Рис 5 48 Результаты испытаний базового солнечного коллектора фирмы «ППДжи ипдастрпз»

а — эксперимептал! ные результаты испытания в Мельбурне 18 мая 1974 г, 1 — темпера­тура на выходе из коллектора, 2 — температура на входе в коллектор 3 — солнечная радиация 4 — температура окружающей среды скорость теплоносителя 0 75 дм3/мин перепад давления около 1400 П/м2 б — экспериментальные результаты испытания в Мельбурне 20 мая 1974 г скорость теплоносителя 1 5 дмэ/мип перепад давления около 1400 Н/м2 г — экспериментальные результаты испытания в Мельбурне 21 мая 1974 г скорость теплоносителя 1 9 дм’/мин перепад давления около 1400 Н/м2

мере увеличения скорости воздушного потока. В тече­ние этого процесса повы­шается и КПД коллектора, однако степень улучшения характеристик необходимо оценивать относительно уве­личения мощности вентиля тора и расхода энергии, не обходимой для перекачки дополнительного объема воздуха Такой же компро­мисс необходим при расчете аккумулятора тепла, рабо­тающего вместе с коллекто­рами воздушного типа Этот аспект более подробно рас­сматривается в разделе об аккумуляции тепла

Одним из методов озна­комления с рабочими харак­теристиками воздушных коллекторов заключается в обзоре результатов исследо­ваний, выполненных други­ми Клоуз [10] исследовал КПД коллекторов разных конструкций (рис 5 29). В своих расчетах он исхо­дил из того, что коллекторы находятся в горизонталь­ном положении, температу­ра влажного термометра со­ставляет 23° С, скорость ветра равна 8 км/ч и что среднечасовая плотность по­тока солнечной радиации со­ставляет 1820 кДж/м2 на го­ризонтальной поверхности На рис. 5 52 приведены из-

Рис 5 51 Общий вид распределе­ния температуры через коллектор в стационарном режиме [31]

1 — изоляция из стекловаты 2 — тыль ная сторона, 3 — передняя сторона, 4 — температура 5 — средняя 5 — медь. 7 —стекло

рис 5 52 КПД коллекторов при при менении селективных и неселектив­ных покрытий на поверхности тепло приемника, /=500 Вт/м2 ([10]

а __ черная краска б — селективное покры тне as = 0 90 є =* 0,15

Рис 5 53 Эффективность поглощения тепловой энергии солнечного излуче­ния тремя типами коллекторов при двух значениях плотности потока солнечной радиации [101

I, И /Я —типы коллекторов

менения КПД трех типов коллекторов по мере увеличения тем­пературы воздуха в коллекторе На нем также отражен эффект применения селективных покрытий по сравнению с применением черной краски Принятый коэффициент теплопередачи для пло­ской пластины составлял 11 Вт/(м2-град)

Для ряда моделей, включающих различные типы теплопри­емников и разные селективные покрытия, Клоуз построил гра­фик на рис 5 53, использовав наилучшую и иаихудшую модели каждого типа и заштриховав область между двумя граничными линиями согласно типу нагревателя Графики показывают об­щее превосходство нагревателя типа III, особенно при более высоких рабочих температурах (выше 50° С) при наружной тем­пературе 23° С, преимущество этого типа коллекторов незначи­тельно при более низких температурах Наилучший нагреватель типа II имеет несколько лучшие характеристики, чем лучший тип III при температурах ниже 40° С Как указывает Клоуз, это вполне удовлетворительно для сушки некоторых видов зерно­вых, а также для отопления помещений в сравнительно теплом климате Клоуз сжато изобразил свои результаты на рис 5 54,
на котором линии постоянного КПД эффективности работы по­казаны в функции плотности потока солнечной радиации и тем­пературы воздушного потока для наилучшей и наихудшей моде­лей каждого типа.

Бюлоу и Бойд [8] показали, как меняется КПД данного кол­лектора воздушного типа в зависимости от скорости воздушно­го потока и общего коэффициента потерь U, Вт/(м2-град) от воздуха в коллекторе наружу. Для зачерненной плоской метал­лической пластины теплоприемчшка с одним стеклянным покры­тием и воздухом, движущимся с обеих сторон пластины (см. тип II, рис. 5.29), они определили величину U, равную 14 Вт/(м2-град). На рис. 5.55 представлено изменение КЙД коллектора по мере увеличения скорости воздушного потока при

и)

Рис. 5.55. Зависимость между КПД и теплопроизводительностыо при раз­личных скоростях воздушного пото­ка для трех значений коэффициента тепловых потерь [81

плотности потока солнечной радиации 1100 Вт/м2, Также пока­заны кривые для коллекторов с величинами U, равными 5,5 и 0 (теоретически без потерь тепла из коллектора). Отсутствуют указания на конструкцию коллектора для получения величи­ны U, равной 5,5 Вт/(м2-град), но, по-видимому, он имеет два или три верхних покрытия и большое количество изоляции с зад­ней стороны теплоприемника.

Одно из лучших описаний характеристик коллектора в зави­симости от разных поверхностей теплоприемника и покрытий приводится в статье Остина Уиллиера «Окрашенные в черный цвет воздухонагреватели обычной ‘конструкции» [43]. В частно­сти, он даст подробные аналитические уравнения, позволяющие сравнивать коллекторы, не прибегая к экспериментам.

Уиллиер подчеркивает важность организации теплообмена между пластиной теплоприемника и воздушным потоком. По сути дела, как это делалось им и Хоттелом раньше, Уиллиер объединил общую величину U, рассматриваемую Бюлоу и Бой­дом, с коэффициентом теплообмена h и получил коэффициент эффективности, обычно обозначаемый в литературе через F’;

1

Чем выше величина F’, тем более эффективен коллектор.

В табл. 6 отражено влияние коэффициентов теплопередачи на коэффициент эффективности для данного коллектора. Можно видеть, что коэффициент теплопередачи h, равный

Таблица 6. Влияние коэффициента теплопередачи h на коэффициент эффективности улавливания тепла F’ Принятая величина коэффици­ента h 11 17 22 34 46 68 Коэффициент тепловых потерь коллектора 64 = 6,8 Вт/(м2Х Хград) (одно стеклянное по­крытие) — — — •—~ — — Коэффициент эффективности 0,625 0,714 0,77 0,833 0,87 0,909 Коэффнциеш тепловых потерь коллектора 64 = 4,5 Вт/(м2Х Хград) (два стеклянных по­крытия) — — — — — — — Коэффициент эффективности 0,714 0,79 0,833 0,882 0,909 0,934

34 Вт/(м2-град) для поглотителя с одинарным стеклянным по­крытием [при U—6,8 Вт/(м2-град)], имеет тот же коэффици­ент эффективности /г^=0,833, что и теплоприемник с более низ­ким коэффициентом теплопередачи, равным 23 Вт/(м2-град), в сочетании с дополнительным покрытием [при U= =4,5 Вт/(м2-град)].

Примечание. Величины U, используемые Уиллиером и Бюлоу, несо­поставимы, поскольку они определены исходя из различных условий.

Уиллиер указывает, что коэффициент теплопередачи, рав­ный 17 Вт/(м2-град), является средним для плоских металличе­ских пластин; шероховатые и текстурированные поверхности имеют намного большие значения h, однако их необходимо со­поставлять с соответствующим увеличением потерь на трение, что требует более мощных вентиляторов для нагнетания возду­ха. Сетчатый экран примерно в три раза увеличивает коэффи­циент теплопередачи на плоской поверхности.

На рис. 5.56 приведен упрощенный график Уиллиера, кото­рый отражает КПД солнечного коллектора по мере изменения плотности потока солнечной радиации и повышения температу­ры воздуха на входе коллектора над температурой окружающе­го воздуха. При этом коэффициент теплопередачи равен 23 Вт/(м2-град), удельная массовая скорость потока воздуха 145 кг/(м2-ч), металл окрашен в черный цвет, скорость ветра составляет 8 км/ч, а температура небосвода принимается на 6° ниже температуры окружающей среды. Для массовых скоро­стей потока воздуха и коэффициентов теплопередачи, отличных от вышеуказанных, величины КПД, получаемые из рис. 5.56, должны умножаться на соответствующий поправочный коэффи­циент, представленный в табл. 7 и 8.

Доновэн и Блисс получили данные, показанные на рис. 5.57, во время своей работы на «Дезерт Грассленд Стейшн». Их кол­лектор состоял из четырех слоев черной сетки с промежутком между слоями 6,5 мм (рис. 5.38). Воздух прокачивался поверх сетки и через нее и поступал обратно в аккумулятор. Чем, хо-

Таблица 7 Поправочные коэффициенты для разных скоростей воздушного потока G (КПД, полученный из рис. 5.56, умножается на указанный поправочный коэффициент) [43] Количество покрытий Скорость воздушного потока кг/(м2 ч) 5 25 50 150 250 500 Без покрытия (а) 0,14 0,57 0,78 1 1,06 1,10 Одно покрытие (b, с, d) 0,26 0,73 0,88 1 1,03 1,05 Два покрытия (е, f, g, h) 0,34 0,79 0,91 1 1,02 1,03 Три покрытия (і, j, k) 0,42 0,84 0,98 1 1,01 1,02

Рис 5 56 КПД обычных солнечных воздухонагревателей с разным числом стеклянных покрытий [42] 7 — без покрытия; 2 — однослойное стеклянное покрытие; 3 — двухслойное стеклянное покрытие, 4 — трехслойное стеклянное покрытие

лоднее был наружный воздух, тем ниже был КПД коллектора; с другой стороны, чем ниже была температура воздуха на вхо­де, тем выше был КПД.

Некоторые из наиболее полных данных по рабочим характе­ристикам коллекторов ‘воздушного типа были получены в ре­зультате эксплуатации второго дома Джорджа Лёфа в Денвере. Реальные эксплуатационные данные на 20 ноября 1958 г. пред­ставлены на рис. 5.58. Более общие данные по его плоскому коллектору с пластинами внахлестку (см. рис. 5.38) приводятся на рис. 5.59. Кривые показывают зависимость между общим ко-

Таблица 8 Поправочные коэффициенты для разных коэффициентов теплопередачи Л (КПД, полученный из рис. 5.56, умножается на указанный поправочный коэффициент) [43] Количество покрытий Коэффициент теплопередачи , Вт/(м ■ град) 11 22 34 46 68 92 Без покрытия (а) 0,67 1 1,20 1,33 1,49 1,59 Одно покрытие (о, с, d) 0,80 1 1,09 1,14 1,20 1,23 Два покрытия (е, f, g, ft) 0,85 1 1,06 1,10 1,13 1,15 Три покрытия (г, /, к) 0,88 1 1,04 1,07 1,10 1,11

личеством падающей солнечной радиации и количеством погло­щенного полезного тепла по мере изменения температуры на­ружного воздуха (сплошные липни) и изменения температуры воздуха на входе (штриховые линии). Скорость воздушного по­тока составляет 0,3 м3/мин на 1 м2 коллектора, намного ниже значений 1,2—1,8 м3/(м2-мин), рекомендуемых рядом других проектировщиков солнечных коллекторов. Скорость воздуха че­рез коллектор 0,305 м/с также намного меньше, применяемых Клоузом. Для лодачи ЗО м3/імиін в системе предусмотрен венти­лятор мощностью 0,75 кВт. Действительная скорость воздуха, проходящего через коллектор, обычно имеет большее значение для определения мощности вентилятора, чем действительный объем этого воздуха. В табл. 9 представлена зависимость для данной модели вентилятора между объемным потоком воздуха в куб. м/мин, перепадом давления (статическое давление в мм вод ст.) и мощностью (эффективной).

Бюлоу и Бойд [8] показали, что для достижения наилучших характеристик теплопередачи между коллектором и движущим­ся воздухом расстояние между — пластиной теплоприемника и стеклом или изоляцией должно быть уменьшено, с тем чтобы получить максимально возможный — перепад давления

Размеры коллектора, рабочие характеристики, угол наклона и ориентация. Нелегко предсказать рабочие характеристики сол­нечных коллекторов на весь сезонный период, когда они вклю­чены в систему отопления (или охлаждения). Конечно, предска­зание рабочих характеристик является необходимой предпосыл­кой для определения размеров коллектора. Эта сложная задача постепенно упрощается, однако условия данного местоположе­ния, потребность здания в отоплении (или охлаждении), конст­рукция системы кондиционирования помещений и определенные конструктивные варианты, такие, как рабочая температура кол­лектора, угол наклона и ориентация, влияют на сезонные рабо­чие характеристики данного коллектора

Например, следует иметь в виду, что удвоение размеров кол­лектора необязательно в два раза увеличивает количество по­лезно поглощенного тепла. В общем виде это проиллюстрировц-

Рис 5 59 Рабочие характеристики солнечного воздухонагревателя с пласти­нами внахлестку — сплошные линии показывают количество тепла, поглощен­ного при разной плотности потока солнечной радиации (на наклонной по­верхности) и средних (за сутки) температурах окружающего воздуха четырех­секционным коллектором с одним покрытием из стекла с низкой отражатель­ной способностью. Скорость воздушного потока составляет 0,5 м3/(м2-мин). Штриховые линии показывают количество тепла, поглощенное при разных средних температурах воздуха на выходе в рабочие часы [26]

Таблица 9. Таблица в помощь определению параметров вентиляторов Вентиляторы, Тип: Лау FGP10-6A

Рабочие характеристики. Для воздуха в нормальных условиях 1,2 кг/м3; эффективная мощность не включает потери на при­вод; технические характеристики даны для вентиляторов FGP с выпускным каналом.

FGP10-6A

Диаметр колеса 270 мм; площадь выходного отверстия 0,6 м2; окружная скорость воздушного винта 278 об/мин; ско­рость на выходе 17,8 м3

м8 мин	Статическое давление, мм-вод. ст.
12,7	15	*8	19	22,2	28,4	31,7	38	44	50,1
об мнн	t- РЭ х •в* . •в* к « а­о s	об мин	эфф мощи. кВт	об мин	эфф мощи .кВт	об мин	I эфф мощи. кВт	об мин	эфф мощи. кВт	°б мин	эфф мощи. кВт	ю] 5 °! I	эфф мощи. кВт	об ^ МИН	X S, S л 3 о 2	об мин	эфф мощи. кВт
17	717	0,06	792	0,07	863	0,09	932	0,09
20	742	0,07	808	0,08	873	0,1	936	0,12	997	0,13	1115	0,16
23	774	0,09	835	0,11	892	0,12	950	0,14	1007	0,15	1116	0,19	1220	0,22
25	807	0,12	867	0,13	922	0,15	974	0,17	1025	0,18	1126	0,22	1225	0,26	1318	0,3	1410	0,33
28	842	0,15	900	0,16	954	0,18	1005	0,2	1052	0,22	1145	0,25	1236	0,29	1325	0,33	1411	0,38
31	879	0,18	935	0,2	987	0,22	1037	0,23	1084	0,26	1171	0,3	1255	0,33	1338	0,38	1420	0,43
34	.917	0,21	971	0,24	1023	0,26	1071	0,28	1116	0,3	1202	0,35	1281	0,38	1358	0,43	1435	0,43
37	956	0,26	1009	0,28	1054	0,3	1106	0,33	1234	0,4	1313	0,44	1313	0,44	1385	0,49	1456	0,53
39	998	0,31	1041	0,33	1096	0,35	1142	0,38	1186	0,41	1267	0,46	1344	0,51	1416	0,56	1484	0,61
43	1041	0,36	1088	0,4	1135	0,42	1179	0,44	1222	0,47	1305	0,53	1376	0,58	1448	0,63	1515	0,68
45	1085	0,43	ИЗО	0,46	1175	0,48	1218	0,51	1259	0,54	1338	0,6	1414	0,65	1480	0,71	1547	0,77
48	ИЗО	0,5	1174	0,53	1216	0,56	1257	0,59	1298	0,61	1375	0,68	1448	0,74	1516	0.8J	1579	0,86
51	1175	0,58	1218	0,61	1258	0,64	1298	0,67	1337	0,7	1412	0,76	1483	0,83
54	1221	0,67	1263	0,7	*1302	0,73	1340	0,77	1378	0,8	1451	0,86
57	1268	0,77	1308	0,8	1347	0,83	1384	0,86	1420	0,9

Авторское право 1974 г. «Лау индастриз». Использовано с разрешения фирмы «Лау индастриз».

1 — отопительная нагрузка здания; 2 — половина общей нагрузки покрывается коллек­тором площадью 45 м2 Площадь коллектора, м2 Общее количество тепла, приходящееся на 1 м2 коллектора, тыс. кДж 180 490 135 650 90 800 45 930

но на рис. 5.60. Тепловая нагрузка здания, приведенная на ри­сунке, относится к дому, который требует расхода 12 650 кДж на 1 град-день, или общая потребность в отоплении составляет

88,5 млн. кДж для условий в 7000 град-дней.

Средняя полезная теплоотдача коллектора принимается рав­ной 3975 кДж на 1 м2 коллектора в сутки или всего около 930 тыс. кДж/м2 за семимесячный отопительный сезон. Коллектор площадью 45 м обеспечит, таким образом, половину потребно­сти в отоплении в 88,5 млн. кДж.

Рисунок 5.60 показывает, что удвоение размеров коллектора до 90 м2 не обеспечивает 100%-ного покрытия отопительной на­грузки, как это можно было предполагать; вместо этого обеспе­чивается только около трех четвертей нагрузки. Кроме того, полезное улавливание тепла на 1 м2 поверхности коллектора снижается с 930 тыс. до 800 тыс. кДж.

Остин Уиллиер выполнил более полный расчет четвертого солнечного дома в Массачусетском технологическом институте. Он сначала определил полезную теплопроизводительность сол­нечного коллектора за каждый месяц. Эти результаты, приве­денные в табл. 10, предполагают, что коллектор находился в Бостоне на широте 42° с. ш. с углом наклона 55° к горизонтали и с ориентацией на юг. На коллекторе были установлены два стеклянных покрытия, а расход воды составлял ЗО кг/ч на 1 м2

	Июль	Август	Сен тябрь	Ок­ тябрь	Ноябрь	Де кабрь	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь	Всего
Расчетная температура водо проводной воды, °С	18,5	18,5	15,5	13	10	7,5	4,5	4,5	7	10	13	15,5	—
Тепло, требуемое для горячего водоснабжения, 10° кДж, мес	24,6	24,6	25,3	27,8	28,5	31,1	32,7	29,5	31,1	28,5	27,8	25,3	337,6
Градусо-день, °С	4,4	14,4	67	217	384	600	663	595	471	325	149	35	3547
Отопление здания, 10° кДж/мес	1,58	5,27	24,7	47,4	77,2	109,5	121	108,6	98,7	71,2	54,5	12,7	733
Полная теплопотребность, 105 кДж/сут	0,84	0,96	1,66	2,43	3,41	4,5	4,95	4,93	4,18	3,32	2,65	1,26	2,93
Принятая среднесуточная тем­пература наружного воздуха,	24	21	18	12	6	1,5	—1	—0,5	2,5	8	14,5	20	—
Принятая средняя температура аккумулятора, °С	60	60	55	50	43	38	38	38	40	43	50	55	—
Расчетное количество поглощен ной солнечной энергии, кДж/(м2 сут)	5314	6438	6438	6438	5416	5416	4701	6438	7154	6438	5314	5314
Потребная площадь солнечного колектора для полного отопле­ния при наличии совершенной неограниченной по объему ак­кумулирующей системы, м2	16	15	26	38	63	83	105	76	58	52	50	24

Таблица 10 Расчетная месячная потребность в тепле и выходная для дома IV Массачусетского технологического института

мощность солнечного коллектора

коллектора Средняя дневная температура наружного воздуха вычислялась путем сложения семи десятых средней максималь­ной суточной температуры и трех десятых средней минимальной суточной температуры (Получается примерно та же величина, что и при сложении половины средней суточной температуры и половины средней максимальной суточной температуры )

Площадь коллектора, которая будет необходима в данный месяц, чтобы полностью удовлетворить потребность дома в отоп­лении, приведена в таблице Емкость аккумулятора тепла при­нимают неограниченной, а потери тепла из аккумулятора — пре­небрежимо малыми Однако из-за реальных ограничений разме­ров аккумулятора и потери тепла из него даже коллектор пло­щадью 100 м2 потребует использования вспомогательного источ­ника тепла в период с декабря по февраль В табл 11 эти огра­ничения приняты в расчет Показана доля потребности в отопле­нии, которая удовлетворяется вспомогательной дублирующей системой теплоснабжения Ограничение, налагаемое тепловым аккумулятором в течение долгих периодов облачной погоды, яв­ляется основной причиной привлечения дополнительного тепла вспомогательного энергоисточника

На рис 5 61 графически представлен годовой процент ото­пительной нагрузки, который обеспечивается вспомогательными источниками тепла (см последнюю колонку в таблице 11) Кол­лектор площадью 110 м2 обеспечит 97,5% нагрузки, коллектор половинного размера (55 м2) покроет 80%, а небольшой коллек­тор (18 м2) —только 36%

По мере увеличения размеров коллектора количество энер­гии, поставляемое каждым квадратным метром, уменьшается из-за снижения коэффициента нагрузки на каждый дополни­тельный квадратный метр Видоизмененный график Унллиера представлен на рис 5 62 Как и на рис 5 60, где показано, что коллектор площадью 46 м2 может дать 930 000 кДж/год на 1 м2 коллектора, а коллектор площадью 185 м2 — только 477 000 кДж/(м2-год), из этого рисунка также следует, что го­довая отдача коллектора пло­щадью 30 м2 (для другого до — а ^ ма) составляет 90% на 1 м2% ‘ в то время как теплоотдача коллектора в ПО м2 — 45%

Одним из факторов, оказы­вающих наибольшее влияние на

Рис 5 61 Влияние площади коллек­тора на потребность в дополнитель ном источнике тепла [40]

Рис 5 63 Влияние угла наклона на плотность падающей радиации

1 — солнечная радиация, 800 Вт/м2; 2 — плоская пластина, ориентированная перпендикулярно солнечным лучам. 3 — наклонная плоскость

показано, что количество энер­гии, полученное поверхностью, будет наибольшим, если поверх­ность обращена строго на юг. Как правило, плоские коллекторы закрепляются в неподвижном положении и не поворачиваются за солнцем («не следят» за ним) с тем, чтобы максимально воспринимать облучение круглый, год. Хотя в направлении пово­ротных коллекторов ведутся работы, однако полученная кол­лектором дополнительная энергия обычно слишком мала, чтобы компенсировать увеличение затрат.

Оптимальные ориентации и углы наклона можно определить, но чаще всего проектировщики задают вопросы такого характе­ра: насколько я могу отклониться от направления строго на юг и каково будет уменьшение КПД коллектора; насколько я могу отойти от оптимального угла наклона и какова потеря КПД в результате этого?

Отклонения от направления строго на юг встречаются реже, чем от оптимальною угла наклона. Однако задача первых сол­нечных объектов, построенных много лет назад, заключалась в том, чтобы показать степень использования солнечной энергии; отклонения от оптимальных величин были редкими. Хотя спра­ведливо то, что небольшие отклонения от оптимума могут не иметь решающего значения, тем не менее их нельзя игнориро­вать как жизнеспособный метод повышения совместимости кол­лекторов и зданий.

Хотя большинство специалистов, занимающихся солнечной энергией, считают, что оптимальной ориентацией будет направ­ление строго на юг, нередко выбирают направление на юго-за­пад из-за возможных утренних туманов, которые снижают эф­фективное облучение коллектора солнечной радиацией, а также
из-за более высоких температур окружающей среды после полу­дня, благодаря чему увеличивается КПД коллектора Большей частью отклонения от оптимума на 15—20° вызывают сравни­тельно небольшое уменьшение производительности коллектора. На рис. 5 64 проиллюстрировано изменение угла падения сол­нечных лучей на вертикальную, обращенную на юг поверхность по мере изменения ориентации Представленный на графике период времени приходится на 21 ноября — 21 января в полосе широт с 30 по 45° с. ш

На рис. 5.65 и 5 66 иллюстрируется значение ориентации для определенных местоположений. На обоих рисунках показаны плоскости вертикальных коллекторов, обеспечивающих 50% по­требности в отоплении в январе для дома площадью 100 м2, ко­торый теряет 9500 кДж на 1 град-день в Бостоне (рис. 5.65) и 1450 кДж на 1 град-день в Чарльстоне. Следует отметить, что отклонения на юго-запад (или юго-восток) требуют увеличения площади коллектора только на 10% в Бостоне и на 30% в Чарльстоне. Размеры наклонных поверхностей в меньшей степе­ни зависят от ориентации

На рис. 5 67 представлен график изменения прихода солнеч­ной радиации за год от широты и ориентации поверхности до 45° от направления строго на юг. Чем ближе местоположение коллектора к экватору, тем меньшее значение имеет ориентация.

Оптимальный угол наклона зависит от назначения коллекто­ра. Это назначение определяется сезоном использования, а по­этому угол наклона в основном определяется высотой и азиму­том Солнца. Коллекторы, предназначенные для зимнего отопле­ния, должны иметь более крутой наклон, чем коллекторы, пред­назначенные для охлаждения здания в летние месяцы. Если кол­лектор будет эксплуатироваться круглый год, например для (приготовления горячей воды, то должен выбираться компро­миссный угол в соответствии с условиями его работы при разных условиях по сезону солнечного облучения Однако в тех местах,

Рис 5.64. Изменение плотности радиации на вертикальных стенах в зависимости от их ори­ентации в период между 21 ноября и 21 января (широты 30—45° с ш ) [331

Рис 5 65 Увеличение требуемой площади вертикального коллектора в про­центах по мере отклонения ориентации стены строго на юг для Бостона, шт. Массачусетс [33]

показанные коллекторы имеют размеры, обеспечивающие 50% потребности в отоплении в декабре и январе (2070 град дней) для дома площадью 100 м2; дом имеет изоляцию на стандартном уровне [54 Вт/(м2 • град-день)], a — поступление радиации на вертикальную поверхность {по Лоршу и Нийоги, 1971), I — февраль, март, 2 — декабрь, январь, 3 — апрель, 4 — май, июнь

Рис 5 66 Увеличение требуемой площади вертикального коллектора, %, в за­висимости от отклонения ориентации стены строго на юг для Чарльстона, шт. Южная Каролина [39]

показанные коллекторы имеют размеры, обеспечивающие 50% потребности в отоплении в декабре и январе (960 град дней) для дома площадью 100 м2 [дом имеет изоляцию на стандартном уровне 275 кДж/(м2 • град день), а — поступление радиации на вертикаль­ную поверхность (по Лоршу и Нийоги, 1971), / — февраль, 2 — декабрь, январь, 5 —март 4 — апрель, 5 — май, 6 — июнь
где потребность в отоплении и потребность в охлаждении не Сбалансированы, необходим более конкретный расчет с тем, что­бы выбранный угол наклона был соответствующим образом сме­щен в сторону большей из двух потребностей.

Прежде чем перейти к рассмотрению оптимальных углов наклона, обратимся к рис. 5.68, выполненному Лоуренсом Ан­дерсоном, председателем группы по изучению солнечной энергии в Массачусетском технологическом институте в 50-х годах. Он представил поверхность с определенным наклоном через другую поверхность, касательную к земному шару в точке южной широ­ты от северной широты Ф минус угол наклона коллектора (3. Найдя величину плотности солнечной радиации па горизонталь­ной поверхности в южных широтах Ф и высоту р, можно опреде­лить плотность потока излучения на поверхности с углом накло­на р на северной широте Ф.

На рис. 5.69 представлен приблизительный оптимальный угол наклона в зависимости от широты и климата. Линия, обо­значенная цифрой 1, соответствует оптимальному углу для мак­симальной плотности радиации летом примерно под углом ши­роты минус 15°. Для круглогодичной максимальной облученно­сти, представленной линией 2, угол широты является оптималь­ным. Угол широты плюс 15° является оптимальным для облуче­ния коллектора солнцем зимой.

В течение года величина общего прихода в сутки солнечной радиации для разных углов наклона коллектора разная. На рис. 5.70 приведены эти значения для ясных дней на 40° с. ш.; условия облачности не учитываются. Очевидна огромная разни­ца между приходом солнечной радиации на вертикальную и го­ризонтальную поверхности; плотность потока солнечной радиа­ции на вертикальных поверхностях достигает пика в зимние ме­сяцы и резко падает летом. Положение коллектора в этом слу­чае более точно отвечает потребностям в отоплении, при этом он легко затеняется, когда не эксплуатируется в летние месяцы. Горизонтальная поверхность на 40° с. ш. не получает почти ни­какого облучения зимой, и наоборот получает огромное его ко­личество летом. На самом деле, если учитывать отражательную способность Земли и условия тумана, то сравнительные харак­теристики вертикального коллектора даже еще лучше представ­ленных здесь. Действительно, его зимние характеристики могут превзойти показатели при оптимальном угле наклона, равном градусу широты плюс 15°.

Особенно восприимчивы к отражению лучистой энергии от поверхности земли вертикальные коллекторы. Было установле­но, что чистый, свежевыпавший снег имеет наибольший коэффи­циент отражения (0,87) из всех природных поверхностей [2] и может увеличить отдачу коллекторов на 15—30%. Другими по­тенциальными рефлекторами являются асфальт, гравий и бетон, которые имеют отражательные способности соответственно 10,

12—15 и 21—33%. Яркая зеленая трава отражает 20 и 30% при углах падения соответственно 30 и 65° [2].

На рис. 5.71 и 5.72 показано, как зависит размер коллекто­ров, обеспечивающих 50% отопительной нагрузки в январе в Миннеаполисе и Финиксе, от угла наклона. Коллекторы показа­ны размещенными на крышах тех же типичных домов, которые изображены на рис. 5.65 и 5.66. Дом размером 7,5 на 12 м ори­ентирован своей длинной осью в ‘направлении восток — запад, так что длина показанных коллекторов составляет 12 м. Кривые демонстрируют сравнительно небольшие различия в размерах

I ti III IV V VI VII VIII IX X XI XII Суммарная радиация на. 21-й день каждого месяца Рис. 5.70. Полная дневная инсоляция на 40° с. ш. [2] 1 — облучение солнечной радиацией «следящей» за солнцем поверхности на 40° с. ш.; 2 — суммарная радиация на горизонтальной поверхности; 3 — вертикальная обращенная нз юг поверхность; температура поверхности ^а; степень черноты поверхности равна 1

при разных углах наклона. По данным прикладных последова­ний Тибу и Лёфа [28] на рис. 5.73 приведены кривые для опти­мального угла наклона в Бостоне, Альбукерке и Санта-Мария, когда коллекторы применяются только для отопления зимой. Во всех случаях оптимальным является наклон коллектора на угол, равный градусу широты плюс 15° при весьма малых откло­нениях для других углов. Совместное влияние угла наклона и ориентации представлено на рис. 5.74 и 5.75, подготовленных Оллкатом и Хупером [1] для Торонто, Канада, 43° с. ш. їв пери­од шести зимних месяцев. Первый рисунок показывает, что для наклонов 50—70° отклонение по ориентации на 20° на восток или запад создает незначительные потери при поступлении на коллектор прямой солнечной радиации. Аналогичные данные со-

Держатся па втором рисунке. Хотя колебания прямой солнечной радиации могут сначала показаться довольно значительными, на самом деле это не так, поскольку они преувеличены значе­ниями координат кривых и различия довольно малы. Например, показано, что обращенный прямо на юг коллектор, имеющий на­клон 60° от горизонтали, имеет наибольшее поступление солнеч­ной энергии. Отклонение на 20° на восток и наклон 50° дают лишь 5%-ное уменьшение угла падения солнечных лучей (48,3 млп. против 45,5 млн. кДж на 1 м2 коллектора за шести­месячный период).

Проектированию солнечных энергетических установок меша­ют трудности, связанные с трудностями предсказания энергоот­дачи солнечных коллекторов в разных местоположениях. Ниже — лредлагаемый метод полностью не решает этой проблемы, он находится где-то посередине между областью догадок и точным инженерным расчетом, вроде предложенного Лиу и Джорданом в издании Американского общества инженеров по отоплению, холодильной технике н кондиционированию воздуха «Низкотем­пературное инженерное применение солнечной энергии» (1957 г.). Этот метод определения эффективности улавливания солнечного тепла, по-видимому, точен с ошибкой 20%, давая в результате несколько заниженные цифры.

Основные положения метода расчета приводятся ниже. Харак­теристики системы солнечного теплоснабжения для Бостона даны в табл. 12.

Число часов солнечного сияния для данной местности скла­дывается из месячных данных (см. раздел «Солнечная радиа-

Рис. 5.75. Изменение прихода пря­мой солнечной радиации в зави­симости от отклонения ориентации к востоку или к западу (величины даны для Торонто, Канада) [1]

дня»). Продолжительность дня для каждого месяца определя­лась из календарей дли из табл. 13. Затем делались ссылки на графики «уровни солнечного облучения», построенные Морри­соном и Фарбером для Американского общества инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию возду­ха. Они воспроизводятся в разделе «Солнечная радиация». Ча­совые значения прихода солнечной радиации располагаются по месяцам (месяцы, используемые для определения энсргоотдачи коллекторов в отопительный сезон, должны ограничиваться теми, в которых в среднем имеется 100 и более град-дней), и по определенным углам наклона, подлежащим вычислению. Толь-

_	8	8
—	8,5	8
—	8,5	8
—	8	8
—	6,5	8 (—)
	6,5	® (—)

6,5	7	8
7	7	8
7	7	8(+)
7	7	8(+)
7	7	8
7	7	8

8,5	9	9
8,5	8,5	8,5
8,5	8,5	8,5
8,5	8	8
6,5	4,5	2
6,5	4,5	2

Угол наклона:

30°

40°

60°

60е

90°

90° + отражение от снега 20%

Суммы
средних значений	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май

5. Количество часов работы коллектора в месяц (Зт-2) XI Угол наклона: 1196 155 151 106 101 104 122 150 144 163 30° 1196 164 151 106 109 104 122 150 136 154 40° 1196 164 151 106 109 104 122 150 136 154 50° 1170 155 151 106 109 104 122 150 128 145 60° 942 127 151 106 109 104 122 115 72 36 90° 942 127 151 106 109 104 122 115 72 36 90° + отражение снега 20%

6. Среднечасовой приход радиации, кДж/м2 за 1 ч Угол наклона: — 2895 2600 2452 2170 2690 2714 2839 2623 2793 30° — 2748 2725 2645 2500 2690 2839 3009 2793 2691 40° _ 2691 2760 2782 2657 2827 2975 2816 2623 2441 50° — 2725 2725 2827 2736 2873 2929 2680 2452 2191 60° — 953 2300 2475 2486 2539 2237 1896 1419 1260 90° — — 2340 2760 2960 2986 3032 2691 2271 1703 1510 90° + отражение от снега 20% 7. Температура воздуха 7а 23 17 11 4 3 3 7 13 20 Нормальная дневная максимальная 7Ь 18 13 7 1 —1 — 1 3 9 15 Нормальная дневная средняя 7с 21 15 9 3 1 1 6 11 18 7 а + 7Ь/2 8. Средняя разность температур коллектора и воздуха (температураколлектора) 7° Температура коллектора: — 11 17 23 29 31 27 27 21 14 32° С — 28 34 39 46 48 48 43 38 31 49° С — 39 45 51 57 59 59 54 49 42 60° С

Суммы						і
средних значений	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь	Январь	Февраль 1	Март	Апрель

9. Среднечасовое количество поглощенного тепла, кДж/м2 за 1 ч (из графиков) 1589 1476 1476 Температура коллектопа: — 1362 1362 1362 1362 1305 1192 32° С, наклон 60° 1305 1487 1533 1476 1419 1419 1078 794 794 32° С, наклон с уче­том отражения от снега 90° — 1362 1192 1192 1022 1078 1078 1048 1078 965 49° С, наклон 60° 1135 1203 1249 1192 1135 1135 851 511 567 49° С, наклон с уче­том отражения от снега 90° — 1192 965 965 851 851 851 851 908 738 60° С, наклон 60° 908 976 1022 965 908 908 567 340 340 60° С, наклон с уче­том отражения от снега 90° 10. Среднемесячное количество поглощенного солнечного тепла, кДж/м2 за 1 мес (9X5) 1 626 800 246 400 222 920 156 480 148 530 141 720 166 250 204 400 167 160 172 895 Температура коллектора: 32° С, наклон 60° 1 244 742 165 970 224 630 162 500 160 914 147 628 173 179 124 060 57 234 28 617 32° С, наклон с уче­том отражения от снега 90° 1 312 753 211200 180 049 126 390 111 402 112 197 131 616 161 820 138 080 139 962 49° С, наклон 60° 1 000 191 144 200 181 764 132 410 129 969 118 102 138 543 97 945 36 790 20 440 49° С, наклон с уче­том отражения от снега 90° 1 069 280 184 800 145 754 102 317 92 835 88 576 103 907 127 750 116 280 106 900 49° С, наклон 60° 783 802 115 576 147 469 108 330 105 213 94 481 110 834 65 297 24 528 12 264 49° С, наклон с уче­том отражения от снега 90° Всего Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь Январь Февраль Март Апрель Май

Таблица 13. Продолжительность дня в северных широтах (в часах и минутах на 15-е число каждого месяца) Месяц Широта 0° 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90° Январь 12,07 11,35 11,02 10,24 9,37 8,30 6,38 0,00 0,00 0.00 Февраль 12,07 11.49 11,21 11,10 10,42 10,07 9,11 7,20 0,00 0,00 Март 12,07 12,04 12,00 11,57 11,53 11,48 11,41 11,28 10,52 0,00 Апрель 12,07 12,21 12,36 12,53 13,14 13,44 14,31 16,06 24,00 24,00 Май 12,07 12,34 13,04 13,38 14,22 15,22 17,04 22,13 24,00 24,00 Июнь 12,07 12,42 13,20 14,04 15,00 16,21 18,49 24,00 24,00 24,00 Июль 12,07 12,40 13,16 13,56 14,49 15,38 17,31 24,00 24,00 24,00 Август 12,07 12,28 12,50 13,16 13,48 14,33 15,46 18,26 24,00 24,00 Сентябрь 12,07 12,12 12,17 12,23 12,31 12,42 13,00 13,34 15,16 24,00 Октябрь 12,07 11,55 11,42 11,28 11,10 10,47 10,11 9,03 5,10 0,00 Ноябрь 12,07 11,40 11,12 10,40 10,01 9,06 7,36 3,06 0,00 0,00 Декабрь 12,07 11,32 10,56 10,14 9,20 8,05 5,54 0,00 0,00 0,00

ко те часы учитываются, в течение которых происходит полез­ное поглощение тепла и в течение которых регистрируется сред­няя плотность потока солнечной радиации, равная не менее 300 Вт/м2. Это обычно бывает в средние две четверти дня. Одна­ко для плотностей потока солнечной радиации 300—500 Вт/м9 должно регистрироваться получасовое поглощение тепла; для радиации выше 500 Вт/м2 регистрация должна проводиться в те­чение часа.

Продолжительность работы коллектора в течение дня, когда поступает 100 кДж или более, зависит от угла наклона. Изме­нение будет наименьшим в середине зимы и наибольшим весной и осенью. Необходимо отметить количество часов полезного по­глощения тепла за каждый месяц и по каждому рассматривае­мому углу наклона.

Суммарное дневное поступление солнечной радиации (в яс­ную погоду) определяется путем сложения часовой интенсивно­сти в таблицах Американского общества инженеров по отопле­нию, холодильной технике и кондиционированию воздуха, соот­ветствующей дневным часам полезного сияния. Чтобы получить количество часов за месяц, которые являются солнечными в пе­риод полезной работы коллектора, количество часов полезного поглощения в день делят на нормальную продолжительность дня и умножают на общее количество часов сияния в месяц.

Суммарное дневное поступление радиации в солнечную по­году делится на количество часов полезного поглощения коллек­тором тепла в день, чтобы получить часовые значения поступле­ния солнечной энергии за период работы коллектора. Эю число является средней величиной плотности потока солнечной радиа­ции во время функционирования коллектора; на кривых рабо­чих характеристик эта величина приводится вместе с разностью между рабочей температурой коллектора и средней температу­рой окружающей среды в период работы коллектора,

Чтобы определить эту разность температур, необходимо най­ти среднюю температуру окружающей среды в течение рабочего цикла коллектора. Средняя температура наружного воздуха в часы работы коллектора определяется приближенно путем вы­вода средней из этих двух температур.

Затем требуется определить рабочую температуру коллекто­ра. Она зависит от многих параметров, например скорости по­тока іеплопосителя, размеров аккумулятора, которые в свою очередь могут до некоторой степени уточняться, если выбрана рабочая температура коллектора. Вообще, чем выше скорость потока теплоносителя и чем больше размер аккумулятора, тем ниже рабочая темпера і ура Можно выбрать диапазон темпера­тур, чтобы показать влияние рабочей температуры на относи­тельные общие рабочие характеристики.

Средняя температура наружного воздуха во время работы коллектора вычитается из данной рабочей температуры коллек­тора, чтобы получить дифференциальную температуру. Затем производится сверка по кривой рабочих характеристик для ис­пользуемою коллектора. Примеры таких кривых даны на рис. 5.76, эти графики построены фирмой «Ревер коппер энд брасс компани». Нижний левый график можно применять с до­статочной точностью для коллекторов с хорошими и средними рабочими характеристиками.

Разность температур (между коллектором и окружающим воздухом в течение данного месяца отыскивается внизу в левой части графика. От этой точки двигаемся по вертикали до кривой или аппроксимации кривой, которая соответствует вышенайден — кой средней часовой инсоляции. Движение влево дает средний КПД; эта величина приводится лишь для информации. Движе­ние вправо дает пересечение в правой части графика с кривой, отражающей ту же интенсивность инсоляции. Опустившись по вертикали вниз, прочтем среднюю выходную мощность коллек­тора в кДж/1 (м2-ч).

Затем эта средняя часовая солнечная радиация на 1 м2 умно­жается на количество часов сияния в данном месяце.

При любом наклоне общую величину поглощенного тепла на 1 м2 в течение отопительного и охлаждающего сезона можно най­ти путем сложения величин по соответствующим месяцам. Опти­мальный наклон там, где сумма будет наибольшей. Конечно, и другие обстоятельства (влияют на наклон коллектора: тип кол­лектора, совместимость наклона с конструкцией здания, относи­тельные затраты на строительство (например, вертикальный коллектор построить дешевле и он более доступен при обслужи­вании) .

В прилагаемой таблице показано, как действует этот деталь­но разработанный, но сравнительно простой расчет. Таблица 14 составлена для Бостона (примерно 40° с. ш,). Для расчета выбраны углы наклона 30, 40, 50, 60, 90 (вертикально) и 90° с

Рис. 5.76. Обобщенные кривые рабочих характеристик для четырех типов коллекторов

I — параметры солнечной энергетической установки: 3 трубы на панель шириной 0,6 м; одинарное стеклянное по­крытие; II — параметры солнечной энергетической установки: 4 трубы на панель шириной 0,6 м; о — плотность потока солнечного излучения, Вт/м2; двойное стеклянное покрытие (приведенные данные относятся к системе нагрева воды)

Всего или в среднем	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май
		11	. Среднемесячное количество поглощенного тепла[5], кДж/м2
1 480 879	246 400	203 700	149 100	134 900	134 900	152 600	192 100	193 280	208 666
			12. Количество градусо-дней в месяц
3126	54	176	335	546	604	540	470	285	116
		13. Величина тепловых потерь здания в месяц: 12Х(кДж/град-день)[6] [7]
10157×10*	176×10*	570х10*	1088×10*	1774×10*	1964×10*	1753х Ю*	1527X10*	925×10*	376×10*
		14. Количество поглощенного солнечного	тепла: 24 м2*	**Хп. И
6623 x10і	1010хЮ*| 836×10*	612×10*	552ХЮ*	552×10*	625×10*	788хЮ*	792×10*	855хЮ*
		15. Тепловые потери,	не покрываемые солнечной энергией (п. 13) — (п. 14)
5111×10*	ОхЮ*	0X10*	477X10*	1221×10*	1411×10*	1128хЮ*	739×10*	133×10*	ОхЮ*
		16. Тепловые потерн, покрываемые солнечной энергией (гг. 13)—(п. 15)
5046 х Ю*	176×10*	570×10*	612ХЮ* j	553ХЮ* I	553ХЮ*	625 X Ю*	788хЮ* |	792×10*	376хЮ*

Таблица 14

Местоположение: Бостон; широта: 42°; средняя рабочая температура коллекто­ра*: 32° С

17. Процент тепловых потерь, покрываемых солнечной энергией (п. 16)—(п. 13)

50 | 100 | 100 | 56 | 31 | 28 | 36 I 52 | 86 | 100

Повторите строки с 14 по 17, пока не будет достигнут требуемый процент тепловых потерь, покрываемый за счет сол­нечной энергии.

добавлением 20% на отражение снега. КПД коллектора и вы­ходная мощность сравниваются для рабочих температур, со­ставляющих в среднем около 35, 50 и 60° С.

Вообще, чем больше процент отопительной нагрузки обеспе­чивается коллектором, тем труднее определить его размеры при помощи упрощенных методов Однако для коллекторов, обеспе­чивающих 60% или меньше потребности в отоплении, обычно можно выполнить простые приближения размеров

Предположим, что коллектор должен обеспечить 50% по­требности в отоплении Можно видеть, что если коллектор опре­деленных размеров рассчитан на удовлетворение половины ото­пительной нагрузки в апреле, то для удовлетворения половинной нагрузки в январе он должен быть намного больше Расчет раз­мерных параметров коллектора на основе средней потребности за юц может создать такое положение, когда коллектор будет иметь слишком большую теплопроизводительность ранней осенью и поздней весной и слишком малую в середине зимы

После того как найдено общее количество поглощенной сол­нечной энергии на 1 м2, выбраны угол наклона и рабочая темпе ратура, следует указать количество градусо-дней по месяцам Затем определяются тепловые потери здания в кДж на 1 град-день. Чтобы получить месячную потребность в отопле­нии, нужно умножить количество градусо-дней їв этом месяце на потерю тепла зданием на 1 град-день

Далее складываются месячные потери тепла, чтобы полу­чить общие сезонные потери тепла (строка 13). Полученный итог делится на сумму помесячного количества поглощенного тепла (стр. 11); 50—60% от полученного результата дают первое при­ближение размеров коллектора при 50%-ных сезонных потерях тепла.

Эти приблизительные размеры коллектора умножаются на каждое из значений помесячного поглощения солнечного тепла. Каждый результат вычисляется из соответствующих помесячных тепловых потерь здания (отрицательные величины должны за­писываться как 0). Полученные величины отражают гу часть каждой из помесячных тепловых потерь, которые покрываются не солнечной энергией, а дублирующей системой. Количество килоджоулей, обеспечиваемых коллектором, определяется пу­тем вычитания величины в стр. 15 из помесячных тепловых по­терь здания в стр. 13

Общие потери тепла зданием, покрываемые солнечной энер­гией, делятся на помесячную потерю тепла в стр. 13, в резуль­тате получается процент тепловых потерь, покрываемых солнеч­ной энергией. Если этот процент недостаточно близок к 50% или какому-либо другому требуемому значению, то необходимо вы­полнить уточнения в исходном приближении и повторить расчет строк с 14 до 17. Строка 16, потеря тепла, обеспечиваемая сол­нечной энергией, является «полезной» выходной мощностью коллектора; ее можно использовать для определения количест­ва энергии, которую дает коллектор.

Окончательный размер коллектора будет зависеть не только о г потребности и отоплении, но и от таких факторов, как режим потребления горячей воды для хозяйственных нужд, поступле­ние солнечного тепла через окна в сочетании с соответствую­щей теплоаккумулирующей массой дома, строительная про­грамма и проектные ограничения, экономическая рентабель­ность, выбор других источников снабжения энергией и конечная эффективность всей системы солнечного теплоснабжения.

Помимо задач отопления здесь можно рассматривать две другие важные возможности. Прежде всего площадь поверхно­сти коллектора можно увеличить, чтобы получить энергию, не­обходимую для приготовления горячей воды. Необходимое в этом случае приращение количества килоджоулей определяется путем умножения суточного расхода горячей воды на удельную теплоемкость в Дж/кг на градус повышения температуры, умно­жения на повышение средней температуры воды, обеспечивае­мое солнечным коллектором Если температура воды обычно повышается от 10° (скажем, температура воды из колодца) до 50° С (температура использования), то на основе среднегодовых показателей молено легко установить размерные параметры коллектора, чтобы он покрывал половину разности температур при среднегодовых условиях сияния 50%- Солнечная энергия легко удовлетворит спрос более чем наполовину в таких южных районах, как Майами или Финикс Достаточно высокие средне­годовые температуры наружного воздуха также обеспечат более высокий процент общей отопительной нагрузки.

Если бак подогрева воды для системы располагается внутри теплоаккумулирующей массы солнечной отопительной системы, то домашний отопительный коллектор, по сути дела, является и коллектором для нагрева воды; аккумулированное тепло кругло­суточно поступает непосредственно в бак подогрева. Если внут­ри теплоаккумулирующей массы находится теплообменник, то он передает тепло водонагревателю Если бак подогрева не находится в теплоаккумулирующей массе солнечной отопитель­ной системы и если коллектор является воздушным, то солнеч­ной установке приготовления горячей воды, по-видимому, потре­буется свой собственный коллектор, отличающийся от системы отопления помещений и построенный отдельно

Основным компонентом солнечной энергетической системы является солнечный коллектор, который преобразует лучистую энергию солнца в полезную тепловую энергию и отдает это теп­ло теплоносителю. Теплоноситель переносит тепло в здание или в аккумулятор для дальнейшего использования. Его также мож­но использовать в цикле охлаждения (кондиционирования воз­духа) или для нагрева воды для хозяйственных нужд.

Выше уже рассматривались многочисленные примеры весь­ма простых и в то же время эффективных коллекторов. Среди пассивных систем такими устройствами являются окна и соче­тание коллектор-аккумулятор в вертикальных степах. Системы активного использования солнечной энергии отличаются /гем, что функции солнечного отопления или охлаждения осуществ­ляются с помощью разных средств. «Водные бассейны» на кры­шах Гарольда Хэя выполняют одновременно функции поглоще­ния, хранения и переноса тепла в помещение, нуждающееся в обогреве. Однако в традиционном смысле солнечный коллек­тор представляет собой специальное устройство, которое при­дается зданию Большинство коллекторов, используемых для

отопления її охлаждения зданий, являются «плоскими» коллек­торами. Эти коллекторы могут быть жидкостного или воздуш­ного типа в зависимости от вида циркулирующего через них теп­лоносителя.

Жидкостные плоские коллекторы для систем отопления. Ос­новным элементом коллектора является поглощающая пластина (теплопрнемник), которая задерживает солнечный свет, преоб­разует его в тепло н передает его теплоносителю. Поверхность теплоприемника обычно окрашена в черный цвет. Для умень­шения потери тепла с поверхности пластины над ней устанавли­вается прозрачное покрытие, например пропускающее солнеч­ный свет стекло. Потери тепла с тыльной стороны теплоприем­ника уменьшают при помощи тепловой изоляции. Все эти эле­менты обычно помещаются в контейнеры (деревянные или ме­таллические) для отгрузки, легкости установки или защиты от влаги. На рис. 5.2 показан типичный коллектор, содержащий все упомянутые элементы.

Теплоприемные пластины. Обычно поглотители для жидкостных систем изготовляются из меди, алюминия или стали. При выборе материала для теплоприемника следует учитывать следующие факторы: наличие; энергию и ресурсы, необходимые для производства; теплопроводность (и другие тепловые харак­теристики); долговечность, легкость в обращении; стоимость.

Наличие. Медь всегда имеется в наличии, но ее запасы на Земле сокращаются, а цены продолжают расти. Алюминий и сталь сравнительно доступнее, но даже запасы алюминия по­степенно истощаются. Стальные теплоприемники выпускаются • в меньшем количестве, чем алюминиевые, особенно коррозион­ностойкие.

Энергия и ресурсы, Необходимые для производства. Посколь­ку наши энергетические запасы сокращаются и экономия энер­гии становится все более жизненно важной для общества, вы­бор металла также производится с учетом количества энергии, необходимого для его производства. Для производства алюми­ния, например, требуется значительно больше энергии на едини­цу веса, чем для стали.

Рис. 5 2 Прототип плоского солнеч­ного коллектора

/ — прозрачное покрытие; 2— пластина, поглощающая солнечную радиацию, 3 — отражающая поверхность; 4 — изоляция; 5 — ящик

На Земле просто не хватит меди, чтобы обеспечить каждое здание полностью медным солнечным коллектором, даже если срок службы такого теплоприемника будет 50 лет, и медь затем пойдет в переработку. То же ограничение может оказаться спра­ведливым и для алюминия. По сути дела, все металлы могут применяться только после тщательного рассмотрения возмож­ных альтернатив Системы, не требующие металлических тепло — присмпиков, должны применяться, Iдс только возможно.

Теплопроводность. Металлический теплоприемник можно нс применять, если теплоноситель непосредственно соприкасается с любой поверхностью, па которую падает солнечный свет. Од­нако почти во всех применяемых сейчас жидкостных системах жидкость протекает по каналам, обычно по трубам, прикреплен­ным к поглощающей пластине. Тепло должно передаваться к трубам от тех участков пластины, которые не соприкасаются с теплоносителем. Если теплопроводность пластины недостаточ­но высока, то тепло уйдет из коллектора прежде, чем оно будет подведено к трубам. Пластина из металлов с высокой теплопро­водностью, например из меди, может быть тоньше, а трубы на ней могут располагаться с большими промежутками. Наиболее теплопроводным металлом является медь, за ней следует алю­миний. Чтобы получить аналогичные результаты при всех про­чих равных условиях, алюминиевый лист должен быть вдвое, а стальной лист — в девять раз толще медного.

Долговечность металлов ограничена действием коррозии. Медь противостоит коррозии лучше, чем алюминий и сталь, но при определенных условиях вода и антифриз могут вызвать коррозию всех этих металлов. Высокие рабочие температуры солнечных коллекторов также ускоряют коррозию. Тем не менее существуют методы уменьшения влияния коррозии. Например, если теплоприемник осушается для предупреждения замерзания, то доступ воздуха в систему повышает потенциальную возмож­ность коррозии. Таким образом, необходимо закрыть путь в си­стему кислороду воздуха, вызывающему коррозию. (Проводятся исследования с такими газами, как азот, в качестве альтернати­вы воздуху в самосливных системах.)

Особые меры необходимо принимать для предупреждения коррозии алюминия; вода из плавательных бассейнов может вызвать протечку алюминиевых теплоприемников уже через не­сколько месяцев после монтажа. Сталь должна быть либо оцинкованной, либо нержавеющей. Коррозию также можно уменьшить путем добавления в воду или антифриз так называе­мых ингибиторов, некоторые из них содержат соли хромо­вой кислоты. Рекомендуется применение мягкой воды с низким содержанием минеральных веществ и металлов. Внутренние по­верхности алюминиевых труб или других каналов для жидко­сти можно обрабатывать при помощи процесса гальванического цинкования, который довольно дорог и не везде возможен в на­стоящее время.

Показатель концентрации водородных ионов в системе яв­ляется наиболее критическим аспектом коррозии. Для алюми­ния раствор должен быть приблизительно нейтральным с пока­зателем pH около 6 или 7. Любое отклонение в меньшую (кис­лотное) или в большую (щелочное) сторону значительно уве­личивает коррозию. Для исключения отклонений уровень pH должен тщательно регулироваться.

Исследуются и другие методы, например, циркуляция инги­биторов коррозии в системе в течение нескольких дней до вве­дения ингибированной, жидкости, однако их ориентировочная стоимость (несколько сот долларов за систему емкостью около 15 м3) очень высока.

Все упомянутые виды обработки лишь снижают область кор­розии, они не дают никакой гарантии успеха. Пока не решена проблема борьбы с коррозией металлов, существует очень мало заменителей меди для жидкостных теплоприемников. В какой- то мере исключениями здесь являются стекло и волнистый алю­миниевый или стальной лист с открытой поверхностью, разра­ботанный д-ром Гарри Томасоном. Неметаллические теплопри­емники, например из стекла и пластмассы, не подвержены кор­розии, но имеют более короткий срок службы.

Нижеследующая рекомендация по защите от коррозии была опубликована фирмой «Олин Брасс компани» и перепечаты­вается с ее разрешения.

Защита от коррозии алюминиевых пластин типа «Ролл — Бонд» в коллекторах солнечной энергии. Необходимы специаль­ные меры для максимального увеличения коррозионной стойко­сти поглощающих пластин солнечных коллекторов, которые ра­ботают с теплоносителем на основе воды, циркулирующей по каналам теплоприемника, изготовленного методом «Ролл-Бонд». Нижеприводимые рекомендации и обсуждение предлагаются вниманию пользователя, который разрабатывает свои собствен­ные конструкции и устанавливает собственные рабочие характе­ристики системы поглощения солнечной энергии.

Мы предполагаем, что типичные системы коллекторов будут «многометальными» системами, т. е системами, в которых теп­лоноситель на основе воды циркулирует нс только через алюми­ниевые элементы, но и по каналам из других металлов.

У нас нет специального опыта эксплуатации солнечных кол­лекторов в многометальных системах. Однако их можно срав­нить с автомобильными системами охлаждения, особенно с теми, в которых применяется алюминиевый радиатор, как в автомоби­ле «Корвет», и с теми, в которых применяется алюминиевый ци­линдровый блок, как в автомобиле «Вега». Эти системы дейст­вительно работают успешно и имеют удовлетворительные анти­коррозийные характеристики. Эти системы являются многоме­тальными потому, что теплоноситель (смесь воды и антифриза) циркулирует не только через алюминий (алюминиевый радиатор или алюминиевый блок цилиндров), но и через стальные, мед­ные и латунные элементы, вступая в контакт с мягким припоем, который применяется при соединении медных и латунных эле­ментов. Этот тип многометальной системы вполне сравним с си­стемой, которую мы считаем типичной в цепи, в которую входит солнечный коллектор. Хладагентом в автомобильной системе этого типа является смесь воды и этиленгликоля, в свою очередь этиленгликоль содержит различные ингибиторы и буферы, кото­рые делают смесь сравнимой с многометалыюй системой охлаж­дения. В случае автомобилей фирмы «Дженерал моторе», на­сколько мы знаем, хладагент выпускается по их техническим условиям GM-1899-М «Концентрат антифриза — тип этиленгли­коль».

Нам известно, что этиленгликоль разлагается в процессе эксплуатации машины и среди продуктов распада имеются ор­ганические кислоты. Поскольку значительное уменьшение пока­зателя pH, которое может сопровождать образование органиче­ских кислот, делает смесь более коррозийной, то нам представ­ляется, что одной из функций буферных веществ в типичных растворах автомобильного антифриза является поддержание показателя pH на желательно большем уровне. В случае исто­щения буферов показатель pH уменьшается. Ответ на потенци­альную проблему в случае автомобильных систем охлаждения заключается в обычной рекомендации изготовителя периодиче­ски заменять охлаждающую смесь. В большинстве случаев это рекомендуется делать раз в год.

Не имея продолжительного опыта работы с системами сол­нечных коллекторов, мы не можем сказать, требуется ли заме­нять смесь воды и этиленгликоля чаще или реже, чем это необ­ходимо в автомобильной системе охлаждения. Мы знаем, что рабочие температуры, которые, по-видимому, одинаковы для большинства солнечных коллекторов, несколько ниже рабочих температур в системе охлаждения автомобиля. С другой сторо­ны, мы также отметили, что общий период эксплуатации солнеч­ного коллектора в течение календарного года несомненно боль­ше, чем обычный период эксплуатации системы охлаждения ав­томобиля. Отсюда следует, что пока изготовитель и пользовате­ли систем не накопят достаточный опыт с определенной систе­мой, чтобы предсказывать срок службы теплоносителя, необхо­димо предусматривать регулирование показателя pH раствора так, чтобы он мог заменяться, когда это необходимо. Предпола­гается консультироваться с изготовителем антифриза в отноше­нии пределов изменения показателя pH.

В обычном составе автомобильного хладагента используется простая водопроводная вода. Конечно, состав и коррозийность водопроводной воды меняются в весьма широких пределах; су­ществуют географические районы, в которых нормальная водо­проводная вода обладает достаточно высокой коррозийностью. Есть некоторые указания на то, что при определенных обстоя­тельствах коррозийность используемой водопроводной воды яв­ляется фактором, который требует учета при определении ко­нечных коррозийных характеристик автомобильной многомс — тальной системы. Поскольку система солнечного коллектора яв­ляется стационарной, будет разумно не пользоваться перемен­ной по составу и не всегда пригодной водопроводной водой, а использовать для этой цели дистиллированную или деионизиро­ванную воду в сочетании с промышленным этиленгликолем. По всей видимости, это явится полезной и недорогостоящей мерой предосторожности.

В некоторых многометальных системах все-таки может ока­заться желательным и необходимым в качестве теплоносителя использовать воду, а не смесь воды с этиленгликолем. В этих случаях вода потребует обработки для обеспечения целостности защитных окисных пленок. Для этой цели выпускаются различ­ные типы ингибиторов; инструкции по их применению можно по­лучить у изготовителя. Популярны хроматовые ингибиторы, ко­торые прекрасно показали себя при эксплуатации.

Типичным раствором будет 600 ч. на 1000 ч. хромата по сле­дующим формулам:

0,9 г/л Na2Cr204- ШН20;

0,082 г/л Na2Cr207-2H20.

Порошки смешиваются в сухом состоянии и растворяются примерно в двойном весе воды. Затем этот раствор можно доба­вить в бак-аккумулятор. Показатель pH должен находиться в пределах от 6 до 7. Уровень ингибитора должен быть равен 500 ч. на 1000 ч. хромата. Для проверки уровня хромата в си­стеме можно воспользоваться мерными склянками с раствором хромата или методом колориметрического сравнения. Уровень pH имеет значение при колориметрическом определении и дол­жен поддерживаться от 6 до 7.

Предупреждение: хроматовые ингибиторы не должны применяться со смесью вода-антифриз

Алюминиевые элементы системы должны быть гальваниче­ским способом изолированы от элементов из других металлов.

Рекомендуется применять «геттерную» колонну, через кото­рую циркулирует теплоноситель до поступления в алюминиевую часть системы. Такая геттерная колонна состоит из пластмас­сового цилиндра, содержащего ряд алюминиевых пластин. Вода обтекает эти поверхности, задача которых подбирать ионы «тя­желых металлов», возможно попавших в систему в результате коррозии других металлических элементов или другого инород­ного материала в системе.

Желательно, чтобы расчетная скорость теплоносителя в си­стеме была в пределах 0,6—0,9 м/с.

Хотя нам известно, что нормальные рабочие температуры для большинства солнечных коллекторов ниже 100° С, необхо­димо иметь в виду воздействие на систему более высоких тем­ператур, которые могут иметь место в нерабочий период коллек­торной системы. Разумеется, коллекторные системы, предназна­ченные для отопления помещений, в летние месяцы будут от­ключены. Кроме того, системы, предназначенные не только для отопления помещений, но и для приготовления горячей воды, будут работать в летние месяцы периодически вследствие умень­шения спроса на горячую воду. Обзор текущей литературы по­казывает, что в нерабочих условиях (отсутствие потока теплоно­сителя) и в период высоких температур наружного воздуха тем­пература коллектора может достичь 150° С и выше. Понятно, что при температурах выше 120° С большинство органических пено­изоляторов начинает разлагаться. Кроме того, при этих темпе­ратурах может также произойти распад хлорированных или фторированных углеводородов, которые широко применяются для вспучивания органических пенопластов. Продукты распада включают соляную кислоту (НС1) и плавиковую кислоту (HF), которые агрессивно воздействуют на все обычные металлы, в том числе алюминий. Поэтому мы предлагаем избегать приме­нения пенопластной изоляции в солнечных коллекторах.

Как указывалось выше, все эти рекомендации, предлагаемые вниманию изготовителей и пользователей систем, призваны по­мочь оптимизировать коррозионные характеристики алюминие­вых компонентов теплоприемников типа «Ролл-Бонд» в системе. Мы понимаем, что существует большое разнообразие конструк­ций систем, и это может привнести другие факторы, которые в конечном счете повлияют на коррозионные характеристики. Попятно, что конструирование коллекторных систем не входит в наши функции и находится за пределами нашего контроля. Естественно, мы будем рады обсудить с конструктором специфи­ческие особенности системы и предоставить его вниманию до­полнительные предложения, если это окажется уместным. Мы также осознаем, что последующая работа системы совершенно не подпадает под наш контроль.

Хотя предыдущее обсуждение относится к применению алю­миниевых панелей типа «Ролл-Бонд» в солнечных коллекторах, мы все же хотим подчеркнуть, что тс же меры предосторожности могут быть отнесены к применению других металлов, например стали.

Легкость в обращении. Вес теплоприемной пластины не яв­ляется решающим фактором в конструкции солнечного коллек­тора, но он играет роль в простоте изготовления коллектора и обращении с ним. Общая масса коллекторов обычно составляет
менее 25 кг/м2, а на долю теплопрпсмннка, как правило, прихо­дится около 5 кг/м2.

При работе с медью могут возникнуть затруднения, так как она твердеет при формовке и изгибании; сталь, естественно, тре­бует специальных инструментов. Все металлические поверхно­сти теплоприемников требуют тщательной очистки чистящими средствами, до нанесения черной краски на поверхность. Медь с большим трудом поддается окраске.

При креплении труб к теплоприемной пластине нужно учи­тывать трудности пайки или сварки. Припаивапие медных труб к медным пластинам осуществляется сравнительно легко, по стоит дорого при использовании квалифицированного труда Алюминий нельзя припаять или приваривать к любому метал­лу, за исключением некоторых случаев, когда это можно сде­лать с применением специальных средств. Оказались успешны­ми специальные механические соединения, такие, как показаны на рис 5.3.

Стоимость Стоимость теплоприемной пластины необходимо рассматривать совместно с тепловыми характеристиками. Эти характеристики для различных металлов, подробно рассматри­ваемые ниже, показывают, что при существующих несоответст­виях стоимости меди, алюминия, стали и нержавеющей стали лучшим из них следует считать алюминий К сожалению, совер­шенно нерешенные проблемы борьбы с коррозией алюминия препятствуют его широкому использованию. Поскольку запасы меди близки к истощению, возможным вариантом выбора среди металлов может быть нержавеющая сталь, имеющая примерно ту же стоимость. ‘

Типы теплоприемников для жидкостных систем. Существуют три основные конструкции, обеспечивающие контакт жидкости с теплоприемником с делью отбора тепла. Первая — это волпи-

7 2

Рис 5 4 Плоский коллектор с откры­тым потоком 1— отверстая, 2 — гидравлический кол лектор, 3 — от аккумулятора 4 — к акку­мулятору, 5 — сборный коллектор 6 — волнистая кровля окрашенная в черный цвет (или зачерненный волнистый алюми­ний)

162

стый лист Томасона с открытой поверхностью, по которой течет жидкость (рис 5 4) Во второй конструкции использован прин­цип «труба в листе», применяемый в холодильной технике, когда каналы отформованы в теле теплопрнемника. Третий и наиболее популярный метод до появления метода «труба в листе» заклю­чается в наложении труб на пластину либо с задней, тыльной по отношению к солнцу стороны, либо с передней, открытой солн­цу стороны.

Первый метод имеет много преимуществ, как продемонстри­ровал это д-р Томасон. При низких температурах (ниже 45° С) характеристики этого ісплоприемника конкурентоспособны с характеристиками трубчатых конструкций, однако его КПД рез­ко падает при более высоких температурах. Несомненным до­стоинством такого теплоприемника является то, что он само­сливной и не требует защиты от коррозии или замерзания. Хо­лодная вода из бака подается насосом в гидравлический кол­лектор в верхней части конструкции. В этой коллекторной трубе просверлены отверстия диаметром 0,8 мм, расположенные на­против впадин волнистого диета. Нагретая вода собирается в желоб у основания конструкции и самотеком поступает об­ратно в бак-аккумулятор Хотя солнце в сочетании с текущей по поверхности водой постепенно разрушает черную краску, Томасон сообщает о сравнительно небольшом уменьшении об­щего КПД. Он также считает, что слой воды на черном покры­тии не влияет отрицательно на КПД.

Предпринимаются попытки получить сплошной и даже ла­минарный поток воды по плоской поверхности, чтобы обеспечить максимальный контакт с теплоприемной поверхностью. Такой однородный поток получить чрезвычайно трудно, но если это удается сделать, то отпадает необходимость в теплоприемнике, обладающем высокой теплопроводностью, тогда станет возмож­ным применение неметаллов

Теплоприемники типа «труба в листе» лучше всего представ­лены алюминиевым изделием типа «Ролл-Бонд» фирмы «Олин Брасс». Трубы формуются в теплоприемнике при соединении двух листов Схема расположения труб выдавлена на листах до процесса сварки; образование труб происходит при раздутии под давлением В случае стали два листа соединяются методом точечной сварки, вода будет проходить через зазор, образовав­шийся между двумя листами Два варианта этого метода пока заны на рис 5.5 и 5 6.

Большая часть оригинальных экспериментальных исследова­ний плоских коллекторов выполнялась с теплоприемниками в виде труб, прикрепленных к металлическому листу. Характери­стики поглотителей типа «труба в листе» получены по результа­там этих работ. Работая над первым экспериментальным сол­нечным домом Массачусетского технологического института в 1940 г., Хоттел и Вурц написали классический труд по работе коллекторов «Эксплуатационные характеристики плоских кол­лекторов» [19]. Позже Хоттел сказал «Использование труб, расположенных с интервалом в 150 мм и имеющих хороший теп­ловой контакт с зачерненным медным листом толщиной 0,5 мм или зачерненным алюминиевым листом толщиной 1 мм, обеспе­чивает эффективность, составляющую 97% эффективности от бора тепла черным листом, полностью охлаждаемым водой Поэтому вряд ли возможен иной вариант, который улучшал бы характеристики зачерненного теплоприемннка в качестве уст ройства для передачи тепла теплоносителю (Его усовершенст­вование как поглощающей поверхности или радиатора при по­мощи специальной обработки поверхности является другим воп­росом )» [20]

Во мноїих других исследованиях определялось оптимальное расстояние между трубами для металлических пластин разных типов и толщин Рисунок 5 7 взят в упрощенном виде из широко известного исследования, выполненного Блиссом [6] Коэффи­циент эффективности, показанный на этом графике, использует­ся в термодинамических расчетах в числе других характеристик, чем больше величина, тем выше КПД устройства в целом. Дей­ствительные величины зависят от ламинарности или турбулент­ности потока, в последнем случае величины выше Учитывая стоимость и общий коэффициент полезного действия, Блисс на­шел, что 10%-ное отклонение от оптимального расстояния меж­ду трубами допустимо в пределах этих расстояний от 76,2 до 177,8 мм Он также установил, что стоимость применения листо­вой меди в ценах 1959 г увеличенной толщины (от 0,25 до 0,75 мм) росла быстрее, чем КПД в результате применения меди На основе компромисса между стоимостью и эффектив­ностью было определено оптимальное расстояние между тру­бами, равное 100—150 мм для листа меди толщиной 0,25 мм Эквивалентным является расстояние, равное 100—130 мм для стальной пластины толщиной 1 мм Эти величины были вычис­лены в 1959 г с помощью метода Блисса Тем не менее можно ознакомиться с его статьей, которая может оказать помощь в расчете величин при нынешних ценах

Определение размеров трубы — другой вопрос Основными здесь являются соображения в отношении падения давления, скорости потока теплоносителя и стоимости Поскольку стои­мость трубы с увеличением диаметра растет, диаметр труб дол­жен быть как можно меньше Как правило, трубы на поверхно­сти коллектора имеют диаметр 10—15 мм, диаметр нижних и верхних горизонтальных труб составляет 20—25 мм

Чем меньше диаметр трубы, тем меньше ее стоимость, но тем быстрее то же количество теплоносителя должно пройти по ней, чтобы получить оптимальную скорость. Чем быстрее течет теплоноситель, тем больше падение давления в гидравлической системе коллектора. Для уменьшения степени коррозии реко-

мендуются скорости менее 1,2 м/с Необходимые параметры на­соса пропорциональны падению давления, так же как и коли­чество энергии (и стоимость этой энергии) для перемещения теплоносителя и отбора тепловой энергии из коллектора На рис 5 8 представлен график зависимостей между размером тру­бы, скоростью потока и потерей давления (Для более вязких теплоносителей, например, растворов антифриза и масел, харак­терны более высокие уровни падения давления) Де Уинтер сообщает [13], что капиллярный эффект в трубах диаметром менее 10 мм может воспрепятствовать полному сливу и тем самым потенциально создать проблемы замерзания

Конфигурация труб на теплоприемнике или внутри него име­ет важное значение для общих эксплуатационных характери стик Равномерность потока теплоносителя, низкий перепад давления, простота изготовления и низкая стоимость — все эти

Рис. 5 8. Изменение падения давления па метр трубы в за-, висимости от скорости потока воды и диаметра трубы [401

а — номинальный диаметр трубы 75 мм (тип L)

соображения необходимо учитывать при конструи­ровании.

Равномерность потока теплоносителя является, пожалуй, наиболее важ­ным фактором. Поток счи­тается турбулентным в горизонтальных трубах и ламинарным в стояках в обычных ситуациях, когда вода поступает в нижнюю Скорость потока 8оды, м/иаи горизонтальную трубу С

* одной стороны коллектора

и выходит через верхнюю горизонтальную трубу с другой сторо­ны. Даффи и Бекман [14] кратко излагают результаты исследо­ваний Данкла и Дэйви, которые установили, что перепад давле­ния между низом и верхом коллектора намного больше у краев теплоприемника, чем в центре. Это значит, что скорость потока в крайних стояках выше, чем в средних. На рис. 5.9 показаны тем­пературы, измеренные во время эксперимента с батареей из 12 параллельно соединенных коллекторов; на поверхности кол­лектора разность температур 22° С. На рис. 5.10 показаны аль­тернативные схемы соединений для получения более равномерно­го распределения потока и температур.

Данкл и Дэйви также рекомендуют устанавливать горизон­тальные трубы достаточно большого диаметра, чтобы создавать большее падение давления в стояках, а не в горизонтальных трубах. Для принудительной или естественной циркуляции мо­жет быть достаточно батареи из 24 стояков. Даффи и Бекман сообщают далее, что «для батарей принудительной циркуляции из 24 стояков не более 16 стояков должно быть соединено па­раллельно, а для более крупных батарей можно применять по­следовательно-параллельные или многократно-параллельные соединения».

Конфигурации труб для отдельных коллекторных установок показаны на рис. 5.11. Конфигурации от А до D представляют собой решетки и их варианты. На рисунках Е и F показаны из­вилистые схемы, которые устраняют проблемы распределения потока теплоносителя, но имеют больший перепад давления. Их также проще изготавливать, поскольку здесь отсутствуют мно-

гочислспные водопроводные соединения, присущие решетчатым схемам.

В самосливных системах расположение труб и схема потока должны обеспечивать полное опорожнение системы. В ранее применявшихся системах наблюдалось вовлечение воздуха, — а следовательно, и неполное заполнение после слива. Извилистые схемы расположения лучше других решают эту проблему.

Трубы должны быть достаточно прочными, чтобы выдержи­вать давления в результате перегрева. Необходимо предусмат­ривать давления до 27,6 кН/м2 и устанавливать предохрани­тельные клапаны для выпуска пара, образующегося при запол­нении водой горячего пустого коллектора.

Поверхности теплоприемника. Поверхность теп — доприемника (внешняя) и прозрачные покрытия над этой по­
верхностью должны рассматриваться одновременно. Их функ­ции сходны, и выбор покрытий связан с типом поверхности теп­лоприемника. Например, было показано, что применение селек­тивной поверхности в сочетании с одним прозрачным покрыти­ем является более эффективным, чем черной краски на плоской поверхности с двумя покрытиями.

Главная функция поверхности таплоприемпика заключается в увеличении процента поглощаемой энергии солнечного света. По определению, абсолютно черное тело является превосходным поглотителем излучения; волны всех длин при любом угле па­дения будут поглощаться абсолютно черным телом. Однако .ре­альные тела всегда будут отражать часть излучения, которое на них падает, причем в возрастающей степени при увеличении угла падения (рис. 5.12).

Абсолютно черное тело является также превосходным излу­чателем тепловой радиации. Хотя в природе не существует со­вершенных излучателей, большинство черных цветов поглощает столько же энергии, сколько они одновременно и излучают — около 90 или 95%. Идеальной поверхностью теплоприемника будет та, которая не отражает коротковолнового светового из­лучения (она его полностью поглощает) и полностью отражает длинноволновое излучение (совершенно его не излучает). Такая идеальная поверхность называется селективной поверхностью.

К сожалению, селективные поверхности пока еще дороги и выпускается их мало. Однако для обычных целей можно исполь-

Рис. 5.11. Различные конфигурации труб для токоприемников солнечных коллекторов

Рис. 5.12. Поглощательная способ­ность поверхности резко падает при больших углах падения

зовать матовую черную краску.

Прежде всего поверхность теп­лоприемника должна быть тщательно очищена, для этой цели можно прибегнуть даже к кислой ванне. Различные чер­ные краски можно проверить путем измерения температур поверхностей, покрытых этими красками и находящихся под солнечными лучами.

Эффективность селективной поверхности измеряется коэффи­циентом поглощения (а) солнечной энергии, относительной из­лучательной способностью (є) длинноволновой тепловой ради­ации и отношением поглощательной способности к излучатель­ной (a/є). Эти концепции обсуждаются в приложении «Степень черноты и поглощательная способность материалов».

Селективные покрытия должны оцениваться по возможности их нанесения на определенный материал тешгапр’иемника, по их стоимости, наличию и долговечности. Каждое селективное по­крытие предназначено для нанесения на определенный матери­ал; селективные покрытия, пригодные для меди, необязательно годятся для алюминия. Стоимость является важным фактором, поскольку применение селективных покрытий либо снижает за­траты на другие элементы коллектора (например, устраняет необходимость в двойном остеклении коллектора), либо значи­тельно улучшает характеристики коллектора (а это оправдыва­ет затраты) путем повышения рабочей температуры, получаемой от коллектора, или путем увеличения общего количества погло­щаемой энергии. На сегодняшний день стоимость квадратного метра селективного покрытия колеблется от 2,5 до 25 долл.

Не все селективные покрытия легко доступны. Иногда эти трудности связаны с высокими транспортными расходами до завода, где наносится покрытие, и обратно до потребителя. Ограничивает их применение и сложный процесс нанесения, требующий контроля качества. Обычными методами нанесения покрытий являются гальванические, химические и пароосади — ‘ тельные ванны. Микроскопические слои в полмикрона должны иметь равномерную толщину. В табл. 5 кратко приводятся неко­торые характеристики селективных поверхностей, которые были исследованы или исследуются в настоящее время. На рис. 5.12 ■ дается несколько «рецептов».

Таблица 5 Свойства селективных покрытий (а — поглощаіельнаїГ способность для солнечной энергии; г — излучательная способность для длинноволнового излучения поверхностей, типичных для плоских солнечных коллекторов) [14] Поверхность а* Е* Ссылка «Черный никель», содержит окиси и сульфиды № и 7п на полированном Ni 0,91—0,94 0,11 Тэйбор п др (1964) «Черный никель» на одинко ванном железе (эксперимент) 0,89 0,12 Тэйбор и др (1964) Тот же процесс (промышлен ный) — 0 16—0,18 Тэйбор и др (1964) «Черный никель», два слоя по­верх гальванопокрытия из Ni на мягкой стали (а и є после 6-часового погружения в кипя­щую воду) 0,94 0,07 Шмидт (1974) СиО на Ni, медь в качестве электрода с последующим окис­лением 0,81 0,17 Кокоропулос и др (1959) С03О4 на серебре, методом осаждения и окисления 0,90 0,27 Кокоропулос и др (1959) СиО на 41, методом набрызги — вания разбавленного раствора Си(Гм03)2 на горячую алюми­ниевую пластину с последую­щей горячей сушкой 0,93 0,11 Хотел и Унгер (1959) «Черная медь» на Си, методом обработки Си раствором NaOH и NaC102 0,89 0,17 Клоуз (1962) «Эбанол* * С» на Си, промыш­ленная обработка** чернением Си, обеспечивающая покрытия в основном из СиО 0,90 0,16 Эдвардс и др (1960) СиО на анодированном AI, об­работка А1 горячим раствором ClI (N03) 2—-КАІПО4 0,85 0,11 Тэйбор (1967) Горячая сушка А120з—Мо— А120з—Мо—А120з—Мо—А120з, промежуточные слон на Мо (е измеряется при 260° С) 0,91 0,085 Шмидт и др (1964) Кристаллы PbS на А1 0,89 0,20 Уилльямс и др (1963) * а — поглощателыпя способность для солнечной энергии, є — излучательная способ иость для длинноволнового излучения при температурах, характерных для плоских сол­нечных коллекторов Промышленные процессы

Долговечность является ключевым фактором при выборе типа покрытия Среди разрушительных факторов следует отме тить влагу, высокие температуры и солнечный свет Примерное сравнение характеристик черных матовых красок п селектив ных покрытий представлено на рис 5 13 Теплоприемник с чер­ной матовой поверхностью п двумя прозрачными покрытиями

Рис 5 13 Качественная зависимость влияния свойств покрытия теплопри­емника и кратности остекления на КПД коллектора

А — черная матовая краска заводского из готовления В — селективное покрытие

имеет примерно те же характеристики, что и с селективным по­крытием и одним стеклом При температурах коллектора ниже 65° С второе стекло поверх селективной поверхности существен­но не влияет на рабочие характеристики коллектора Однако при температурах, достаточно высоких для приведения в дейст­вие абсорбционного охлаждающего оборудования (80° С), мо­жет потребоваться второе покрытие При низких рабочих тем­пературах (ниже 40°С), с другой стороны, применение селектив­ного покрытия может не приводить к повышению КПД В насто­ящее время затраты на селективные покрытия лишь иногда вызывают увеличение общей стоимости В солнечных водонагре вателях «Миромит» из Израиля применяется покрытие тепло приемника, разработанное д-ром Гарри Тэйбором, в солнечных водонагревателях «Бисли» из Австралии также применяется селективное покрытие, как и в коллекторах, выпускаемых фир­мой «Сануоркс, инк» (используется покрытие под названием «Эбанол С»). Несколько способов нанесения селективных чер­ных покрытий

1. «Черный никель». Металлическое основание должно быть совершенно чистым, это осуществляется стандартными метода­ми химической чистки, применяемыми в гальваностегии

Черное покрытие получают путем погружения пластины в качестве катода в водную электролитическую ванну, содержа­щую на 1 л- 75 г сульфата никеля (ГББСи-бНгС)), 28 г сульфата цинка, 24 г сульфата аммония; 17 г тиоцианата аммония, 2 г лимонной кислоты.

Показатель концентрации водородных ионов в растворе дол­жен быть около 4, а в качестве анода используется чистый ни­кель. Процесс протекает при 30° С Электролиз занимает 2— 4 мин при 2 мА на 1 см2, точное время зависит от природы ме­таллической подложки и температуры.

При охлаждении существует опасность выпадения осадка из вышеуказанного раствора, поэтому в последней работе исполь­зовали тот же раствор, но половинной концентрации, с теми же результатами (лимонную кислоту можно не использовать).

Лучшие результаты получают при использовании процедуры нанесения двух слоев. Так, па оцинкованном железе электролиз проводится при 1 мА па 1 см2 в течение 1 мин, а затем при 2мА па 1 см2 в течение 1—2 мин.

2. Окись меди на алюминии. Алюминиевая подложка снача­ла покрывается окисным слоем путем анодирования. Для этой цели алюминиевый предмет в качестве катода погружается в водный раствор, содержащий 3% по объему серной кислоты и 3% по объему фосфорной кислоты; анодом является уголь. Электрический ток 6 мА/см пропускается в течение 20—30 с через раствор, после чего его направление меняется на несколь­ко секунд для получения частичного анодирования. После про­мывки алюминиевый предмет погружается на 15 мин при 85— 90° С в водный раствор, содержащий на 1 л: 25 г нитрата меди; 3 г концентрированной азотной кислоты; 15 г марганцевокисло­го калия. После такой обработки алюминиевый предмет выни­мается, высушивается и нагревается до 450° С в течение не­скольких часов, пока поверхность не приобретет черный цвет.

Эта обработка во многом зависит от типа, состава и кри­сталлической структуры алюминия, поэтому результаты неоди­наковы для разных марок алюминиевых сплавов.

3. Окись меди на меди. Описание взято из ссылки [5] и весь­ма сходно с описанием Салема и Дэниелса [9].

До нанесения черного покрытия медь шлифуется для удале­ния грязи и окисных пленок до появления чистой блестящей по­верхности. После обезжиривания в кипящем растворе металло­очистителя медный предмет прополаскивается в чистой — воде и протирается мягкой проволочной щеткой для удаления метал­лических опилок.

Затем производится обработка в течение 3—13 мин! в ван­не с черным раствором при температуре 140—145° С.

Ванна содержит: 453,6 г едкого натра (NaOH); 276,8 г хло­рита натрия (NaC102) па 4,55 л воды.

Остекление. Термин «остекление» является общим обо­значением довольно большой группы прозрачных материалов, [3] которые применяются для ограждения поверхности теплоприем­ника и располагаются обычно с зазором 25 мм от него. Коротко­волновый солнечный свет проникает через «прозрачный» мате­риал (прозрачный для солнечного света), попадает на тепло­приемную поверхность, поглощается ею и превращается в длин­новолновое инфракрасное излучение. Ранее прозрачный мате­риал теперь в определенной мере непрозрачен для длинных волн, и тепло удерживается внутри.

Например, такие материалы, как стекло, плексиглас, поли­эфирные смолы на стекловолокне, тонкие пластмассовые плен­ки, обладают разными способностями пропускать коротковол­новый солнечный свет и улавливать длинноволновое тепловое излучение. Отличаются они и по другим свойствам — по стоимо­сти, массе, сопротивлению разложению под действием солнеч­ной радиации, прочности, легкости в обращении, сопротивле­нию царапанию и т. д.

Основные знания о солнечном спектре во многом облегчают понимание функций и критериев выбора верхних прозрачных покрытий. На рис. 5.14 представлена спектральная интенсив­ность солнечного излучения, попадающего в слой атмосферы. Под верхней кривой приведена плотность солнечной радиации,

Вг/мг Рис. 5 14 Кривые, показывающие пропускательную способность одного слоя стекла (5 мм, 0,15 РєгОз) па уровне моря при прохождении солнечной радиа­ции через стандартную воздушную массу 3 Кривые сравниваются со стандарт­ной кривой солнечной онергнц вне земной атмосферы [31] 1 — вне земной атмосферы, 2 — на уровне моря, воздушная масса 3, 3 — прохожде ние через один слой стекла (5 мм, 0,15 Fe2Os) на уровне моря, воздушная масса 3,4 — видимая область, 5 — инфракрасная область

Рис 5 15 Влияние угла падения сол­нечных лучей на пропускатсльнуго способность прозрачного стекла По­казанные величины относятся к стек­лу высокой прозрачности с низким содержанием железа с учетом толь­ко потерь на отражение, но не на поглощение Реальные величины для большинства типов стекла, по види­мому, заметно ниже [[31]

которая проникает через атмо­сферу до уровня моря в обыч­ных условиях ясного дня Ниж­няя кривая соответствует ради­ации, которая проникает через одинарное стекло, расположен­ное перпендикулярно солнеч­ным лучам. Длина волны уль­трафиолетовых лучей составля­ет менее 0,4 мкм, а длина волны инфракрасных лучей — более 0,7 мкм. Видимый свет пред­ставлен областью спектра между этими двумя величина­ми. Длинноволновое инфра­красное (тепловое) излучение обычно имеет пределы от 3 до 20 мкм или более по длине волны. Стекло почти пол­ностью непрозрачно для волн такой длины.

Солнечное излучение либо передается, либо поглощается, либо отражается Сумма этих трех действий составляет 100% радиации. Стекло, которое является одним из наиболее попу­лярных материалов для покрытий, имеет различные коэффици­енты пропускания солнечного света в зависимости от угла па­дения солнечного излучения На рис 5 15 показано, как изме­няется іпропускательная способность совершенно чистого стекла в зависимости от количества слоев

В качестве испытанного покрытия стекло является одним из наиболее предпочтительных материалов Оно доступно, имеет хорошую пропускательную способность (85—92% в зависимо­сти от содержания железа; для стекла толще 3 мм эта величи­на ниже); непроницаемо для длинноволнового теплового излу­чения, термически устойчиво при повышенных температурах и обладает сравнительно хорошим сопротивлением царапанию и воздействию атмосферных факторов (за исключением града), Однако более важно то, что оно знакомо всем и каждому.

Некоторые его недостатки заключаются в том, что во избе­жание боя транспортировать и хранить стекло приходится не­большими кусками и с большой осторожностью Оно часто вставляется в коллектор на месте установки, так как вероят­ность боя и большая масса стекла затрудняют его транспорти­ровку на большие расстояния. Его неспособность перекрывать большие площади, а также размерные ограничения требуют применения множества сложных и дорогостоящих деталей за­стекления парникового типа для прикрепления стекла к кол­лектору. Стекло также сравнительно дорого по сравнению со многими другими материалами для покрытии

При использовании стекла необходимо предусмотреть воз­можность для термического расширения и сжатия внутри рамы при одновременном обеспечении герметичности против инфильт­рации влаги и воздуха Оно никогда не должно непосредствен­но контактировать с металлом из-за возможного перегрева по­следнего Стекло также выбирают по условию минимального содержания железа. Если посмотреть на срез стекла, то чем зеленее цвет, тем больше содержания железа и тем ниже коэф­фициент пропускания солнечных лучей. Высококачественное стекло вместо 7% поглощает 3—4% энергии солнечной радиа­ции. В градоопасных районах должно применяться толстое или закаленное стекло или же коллектор предохраняют специаль­ным экраном (который будет задерживать до 4% солнечной энергии).

В системах с двойным остеклением промежуток между слоя­ми должен вентилироваться для удаления воды в результате возможной протечки и конденсации влаги. Для поглощения влаги в коллекторах фирма «ППДжи индастриз» и др. применя­ют камеры с высушивающими средствами.

В конце 50 х годов сотрудники Массачусетского технологи­ческого института обнаружили, что внутренний слой изолирую­щего стекла (например, «Термопана») разрушается под дейст­вием сильных тепловых напряжений, главным образом потому, что внутренний слой намного горячее наружного. Герметичность заделки их общих кромок вызывает значительные внутренние напряжения В связи с этим все изолирующие стекла в коллек торах должны быть соответствующим образом закалены Обыч­ный «Термоиап» может растрескаться при температурах поряд­ка 150° С Фирма «ППДжи индастриз» применяет изолирующее стекло «Гсркулит К» толщиной 3,2 мм собственною производ­ства

Для уменьшения отражательной и увеличения пропускатель — пой способностей на стекло наносят просветляющие покрытия, с помощью которых пропускательпая способность повышается до 95% Эти покрытия, эффективность которых меняется в зависи­мости от длины волны и угла падения света, пока еще широко не применяются и к тому же сравнительно дороги при довольно

небольшом повышении эффективности (от 2 до 4%). Толщина осажденных слоев на обеих поверхностях равна примерно од­ной четвертой длины волны.

Такао Кобаисаки и Стефен Сарджент [24] предлагают сле­дующие альтернативы стеклу для покрытий коллекторов.

Пластмассы. Полиметилметакрилат или акрилаты («Акри — лит», «Люсит», «Плексиглас»); поликарбонат («Лексан», Мер- лон»); полиэтилсптсрефталат или полиэфирные смолы («Ми — лар»); поливинилфторид («Тедлар»); фторированный эгилен — пропилеп или фторуїлеводород («Тефлон», ФЭП); полиамид («Каптоп»); полиэтилен.

Другие материалы. Полиэфирные смолы, армированные стекловолокном («Сан-лит»); слоистые материалы типа «пла­стик-пластик»; слоистые материалы типа «пластик-стекло».

Вообще пластики обладают высокой пропускательпой спо­собностью, потому что большинство из них представляет собой тонкие пленки. Они обычно дешевле и выпускаются большими листами, что потенциально уменьшает их количество и затраты на детали остекления. Многие из них более устойчивы к разру­шению и легче, чем стекло. Их способность деформироваться в холодном состоянии делает пластмассы перспективными для но­вой технологии устройства покрытий.

К сожалению, большинство из них частично пропускает длинноволновое инфракрасное излучение от пластины теплопри­емника, и поэтому они менее эффективны в качестве тепловых ловушек. Длинноволновый коэффициент пропускания составляет 86% для полиэтилена толщиной 0,05 мм и 73% для фториро­ванного этилен-пропилена той же толщины [24]. Однако для некоторых пластмасс увеличение пропускательной способности солнечных лучей компенсирует увеличение тепловых потерь, что аналогично применению селективного слоя на теплоприемной поверхности Однако эффективность тепловых ловушек стано­вится важным фактором при более высоких рабочих температу — ‘ рах коллектора, и поэтому применение многих пластмасс оказы­вается нецелесообразным.

Многие пластмассы разрушаются при воздействии па них ультрафиолетовых солнечных лучей. Особенно уязвимы пленки из-за своей малой толщины. Некоторые более толстые пласти­ковые покрытия желтеют, теряя в результате определенную часть своей пропускательной способности.

Кроме того, многие пластики размягчаются при повышенных температурах, при охлаждении некоторые возвращают свою первоначальную форму, однако другие, такие, как акрилы, оста­ются деформированными. Низкое сопротивление царапанию не­которых пластмасс является критическим фактором в загряз­ненных или пыльных районах. Для некоторых пластмасс (на­пример, акрилов) выпускаются твердые, защитные, устойчивые к царапанию покрытия, которые стоят недешево.

«Тефлон» имеет очень высокий коэффициент пропускания солнечного света (свыше 95%) и хорошую атмосферостойкость (среди пластмасс), но он дорог и не столь прочен, как другие пластики. При повышенных температурах коллектора срок службы «Тедлара» составляет всего два года. «Милар» сравни­тельно прочен, но довольно быстро разлагается под действием ультрафиолетовых лучей.

Хорошей альтернативой этим пластикам является «Сан-лит», выпускаемый фирмой «Колуолл корпорейшн». Хотя его коэффи­циент пропускания солнечных лучей более 90%, при повышении температуры и под действием солнца он несколько уменьшается (причем постепенно) и выравнивается на уровне чуть более 80%. Однако его сравнительно низкая стоимость, наряду с лег­костью обращения, долговечностью, малой массой делает мате­риал весьма привлекательным для применения. Он выпускается в рулонах неограниченной длины и стандартной ширины 1,2—

1,5 м и является хорошим кандидатом, по крайней мере, для не столь нагретого внешнего ограждающего слоя в системе из двух покрытий.

Фирма «Сантек» разрабатывает мембрану с очень высокой пропуокательной способностью, которая будет применяться в многослойных системах (до шести слоев). Таким путем сохра­няется сравнительно высокая пропускательная способность и значительно сокращаются тепловые потери через фронтальную поверхность. Другая мембрана фирмы «Сантек» при повышен­ных температурах становится непрозрачной, защищая поглоти­тель от перегрева.

Выбор количества покрытий является исключительно важ­ным фактором при проектировании коллектора, влияющего на эффективность работы элементов солнечной энергетической установки или системы отопления или охлаждения. Вообще, чем ниже требуемая температура коллектора, тем меньше нужно покрытий. Например, подогреватели воды в плавательных бас­сейнах могут совсем не нуждаться в покрытии.

Чем больше число покрытий, тем больше они поглощают и отражают солнечной энергии и тем меньшая доля энергии сол­нечного света достигает поверхности теплоприемника. Это осо­бенно проявляется при острых углах падения. Чем ниже темпе­ратура наружного воздуха, тем большее число покрытий тре­буется для получения нужных рабочих температур коллектора без снижения его КПД. Например, при одних и тех же услови­ях солнечного сияния в Новой Англии могут потребоваться два покрытия, а во Флориде — только одно, чтобы получить одина­ковые рабочие характеристики коллектора.

Для использования коллектора для ночного радиационного охлаждения, при котором теплоноситель циркулирует через кол­лектор, охлаждаясь вследствие излучения в окружающее про­странство, никакою стеклянного покрытия не требуется. Охлаж-

Дейие таким способом осуществляется летом; при этом зимний КПД коллектора существенно снижен

На рис. 5.13 показано, что для разных рабочих температур коллектора разное число покрытий соответствует оптимальному КПД. Хотя дополнительное покрытие может обеспечить более высокий КПД, дополнительная стоимость установки может не оправдать его применения Помимо монтажа самого покрытия существуют, например, дополнительные издержки на аккумули­рование тепла. Два покрытия обеспечат более высокую темпера­туру аккумулятора, повысив величину эффективной емкости аккумулятора без увеличения затрат на установку; одно стек­лянное покрытие может привести к увеличению размеров нс только аккумулятора, но и элементов всей системы отопления (например, более крупные каналы и вентиляторы или трубы и насосы), чтобы обеспечить эффективность работы при более низких температурах аккумулятора. Тибу и Леф установили, что применение двух покрытий наиболее экономично для отоп­ления на большей части территории США.

Хоттел утверждает [20]: «Оптимальное число слоев стекла тем больше, чем выше требуемая рабочая температура черной пластины. Для бытового горячего водоснабжения оптимальным обычно будет один слой; в некоторых советских коллекторах имеется один слой на впуске воды в теплоприемник и два слоя на выходе. Для отопления помещения обычно оправдано приме нение двух слов стекла. Система абсорбционного охлаждения из-за более высокого нужного температурного уровня может потребовать трех слоев или применения селективного черного покрытия, в зависимости от того, что дешевле. Соображение по использованию более трех слоев для получения еще более высо­кого уровня должно в любом случае сопровождаться поверхно­стной обработкой стекла для уменьшения потерь на отражение или обработкой теплоприемника, чтобы сделать его селективным, или обоими видами обработки..».

Уиллиер [42] предлагает следующую таблицу в качестве пособия по выбору числа покрытий.

Превышение температуры коллектора
над температурой окружающего воздуха, °С

От —15 до 15 От 15 до 40 От 40 до 65

Конечно, это только приблизительные указания. Реальное реше­ние должно основываться на стоимостных и других соображени­ях: конфигурации коллектора, материалов, из которых он изго­товлен, конструкции упомянутых выше отопительно-охлаждаю­щего оборудования и аккумулятора.

Дополнительное соображение заключается в том, что приме­нение селективной поверхности ‘в сочетании с одинарным покры­тием может быть более эффективно, чем два покрытия в соче­тании с матовой черной краской. Хотя многослойные покрытия могут обеспечить более высокий КПД зимой, однако летом кол­лекторы легче подвержены повреждениям из-за более высоких температур, особенно в периоды, когда коллектор не работает. Там, где возможны температуры на несколько градусов ниже точки замерзания, второе покрытие может решить проблему замерзания коллектора.

Зазор между покрытиями выбирается главным образом ис­ходя из его влияния на КПД коллектора и стоимости монтажа КПД коллектора зависит (от 2 до 4%) от тени, отбрасываемой переплетом покрытия на поверхность поглотителя, и от разницы изолирующих способностей воздушного промежутка разной толщины; наиболее эффективны промежутки от 12 до 25 мм.

Рабочая свободная от затенения площадь коллектора опре­деляется частично размером, количеством (частотой располо­жения и длиной) и типом деталей переплета Следует предусмот­реть, чтобы они минимально уменьшали общую полезную пло­щадь поверхности теплоприемника. Необходимо также прове­рить прокладки и замазки для застекления на их устойчивость к ультрафиолетовому и инфракрасному излучению и их темпе­ратурную стойкость. Элементы переплета и детали крепления должны способствовать стоку воды и препятствовать проникно­вению воды, снега и льда внутрь. Они также должны учитывать смещение покрытий в результате расширения и сжатия при из­менении температуры.

Некоторые другие факторы проектирования коллекторов. Изоляция. Для уменьшения потери тепла теплоприемником к тыльной его поверхности крепится слой изо­ляции. Если коллектор устанавливается на ограждающей кон­струкции здания, например на стене или на крыше, то тепло не «теряется», а передается самому зданию, Зимой это является преимуществом, а летом — недостатком. За исключением райо­нов с низкими летними температурами, коллектор должен иметь изоляцию для сведения к минимуму этого добавочного тепла и повышения его общего КПД. Обычным для коллекторов, уста­новленных на крыше, является слой стекловолокнистой или эквивалентной изоляции толщиной до 150 мм; для вертикаль­ных коллекторов толщина может составлять 100 мм. Если кол­лектор представляет собой отдельно стоящее сооружение и не закрывает поверхности здания, то обычно накладывается слой стекловолокпистой или эквивалентной изоляции толщиной 150— 200 мм.

Стекловолокнистая изоляция предпочтительнее стирофомной и уретановой изоляции благодаря своей устойчивости при повы­шенных температурах. В частности, выбор определенного вида уретана должен основываться на его температурной стойкости; некоторые виды уретанов деформируются, вспучиваются и выде­ляют потенциально токсичные газы. Воспламеняемость также должна приниматься во внимание.

Когда это возможно, в особенности для уретана, изоляция должна быть отделена от наружной поверхности теплоприемной пластины поглотителя воздушным промежутком. Благодаря это­му тепло отражается обратно к теплоприемнику, снижая темпе ратуру изоляции и повышения КПД коллектора.

Кромки поверхности коллектора по периметру должны быть изолированы для уменьшения концевых потерь. Периметраль­ные кромки поверхности теплоприемника обычно имеют более низкую температуру; в результате таких концевых потерь общий КПД ниже. Экспериментальная проверка работы коллектора показала, что концевые потери можно уменьшить путем сплош­ной изоляции кромок и увеличения площади поверхности по от­ношению к длине периметра. Не следует злоупотреблять изоля­цией, если она уменьшает потенциальную поверхность погло­щения.

В коллекторах, которые комплектно поставляются изготови­телями, наружная (задняя) сторона изоляции иногда заключена в защитный кожух из металлических, пластмассовых или дере­вянных панелей. Обычно применяют оцинкованную сталь, но в коррозийной атмосфере следует применять панели с еще более высокой атмосферостойкостью.

Ни постоянные, ни ветровые нагрузки не представляют проб­лем для вертикальных стеновых коллекторов или для коллекто­ров, которые встроены в крышу, потому что здание в любом слу­чае должно выдерживать ветровые условия. Для коллекторов, которые отделены от зданий или прикреплены своей собствен­ной конструкцией к ‘кровле, ветровые нагрузки являются основ­ным фактором в конструктивном расчете опорной системы. Во­обще, для уменьшения стоимости конструктивной системы и парусности коллектора площади поверхности должны быть не­большими, чтобы обеспечивать низкий аэродинамический про­филь. Это можно сделать, расположив длинные низкие коллек­торы друг за другом. Масса пластмассовых коллекторов со­ставляет примерно 5 кг/м2, а стеклянных и металлических 30 кг/м2. Это намного ниже расчетных нагрузок для крыш боль­шинства зданий.

Снеговые нагрузки не создавали трудностей для ранее по- CI роенных солнечных объектов. В большинстве случаев коллек­торы устанавливались под углами, достаточно крутыми для естественного сползания снега. Если это не помогало, поверх­ность коллектора обогревалась циркулирующим теплоносите­лем и снег таял. Конечно, снеговые нагрузки на коллекторы не будут превышать снеговые нагрузки на обычные крыши, а по сути дела будут даже меньше благодаря сползанию снега,

Удобство осмотра и обслуживания. Поверхности больших коллекторов могут потребовать большего ухода, чем обычные стены и крыши; кроме того, их труднее обслуживать из-за срав­нительно скользких и хрупких поверхностей покрытий. Пробле­мы доступа к коллекторам могут быть частично решены путем устройства длинных и низких коллекторов, рабочих помостов и приспособлений для приставных лестниц. Там, где местные ат­мосферные и климатические условия требуют частого мытья окоп, удобство обслуживания приобретает еще большее значе­ние. Во всяком случае, при проектировании элементов покрытий необходимо учитывать массу обслуживающего персонала.

Теплоемкость коллекторов. Клейн, Даффи и Бекман [23] по­казали, что теплоемкость коллекторов почти не оказывает влия­ния на их рабочие характеристики. Однако в неопубликованной работе «Теплоемкость плоского коллектора для солнечного дома: имеет ли значение величина теплоемкости?» (4 декабря 1973 г.) Уильям Шэрклифф подробно демонстрирует, что в ста­ционарном режиме утреннего пуска и при динамических услови­ях периодического солнечного сияния общий КПД коллекторов может колебаться в пределах 25% в ту или иную сторону по мере изменения их тепловой аккумулирующей способности. Чем меньше теплоемкость, тем больше КПД. Конечно, это будет до некоторой степени коррелироваться условиями солнечного сия­ния, но чем оно нестабильнее, тем более важно иметь меньшую теплоемкость с более короткими периодами нагрева.

Интуиция подсказывает, что Шэрклифф в каком-то отноше­нии прав, поскольку меньшая теплоемкость дает возможность коллектору быстрее достигнуть рабочей температуры. При пре­рывистом солнечном сиянии низкая теплоемкость обеспечивает более полное использование коротких периодов поступления солнечной радиации.

Хоттел и Вурц [19] показали, что потеря тепла, создаваемая теплоемкостью, составляет 40—80 Вт/(м2-К) между коллектором и наружным воздухом. В их коллекторе, который имел два стек­лянных покрытия, медный теплоприемпик и стекловолокнистую изоляцию, на стекло приходилось 52%, на медную пластину —■ 20%, и на изоляцию — 28% общей теплоемкости. Они не считали эту потерю тепла значительной, особенно по сравнению с кол­лекторами, в которых ночыо жидкость не сливалась. Системы, в которых жидкость на ночь пе сливается, имеют в два раза большую эффективную теплоемкость коллектора.

Примеры коллекторов и детали конструк­ции. Прототип солнечного коллектора показан на рис. 5.16. Именно па этой основной модели Хоттел и Вурц [19] проводили свои первые исследования рабочих характеристик солнечного коллектора. Тысячи энтузиастов по всему миру стремились раз­работать эффективные и недорогие способы крепления труб к пластине. На рис. 5.17 показаны три схемы расположения

б] 8 9

Рис 5 16 Солнечный коллектор с двумя стеклянными покрытиями и медным теплоприемником типа «труба в листе» [41] а —коллектор 1 поток воды в следующий коллектор 2 — ПОТОК ВО 1Ы из предыдущею коллектора 3 — два стеклянных покрытия 4 — медный тсплоприсмпнк с верхней поверх костью окрашенной в черный цвет 5 — паяное соединение 6 — стропила размером 504 Х200 мм с расстоянием между центрами 610 мм 7 — медные трубы и — разрез коллек тора стекло не должно содержать железа пропускательная способность через один слои должна быть более 90% 5 — алюминиевая накладка закрывает заполненный частиком промежуток между коллекторами 9 — медная пластина толщиной 0 5 мм 10 — стекло толщиной до о мм 11 —• стекло толщиной 3 2 мм 12 — окрашено в черный цвет 13 — зазор 14 — пайка 15 — медная труба диаметром 12 5 мм 16 — алюминиевая фольга 17 — крепежные накіадки 18 — нзочядня войлочного типа (НО мм) /^—стропила размером 50X200 мм с расстоянием между центрами 610 мм 20 — это пространство вентилируется летом для охлаждения потолка 21 — изоляционная плита

Рис 5 18 Детали коллектора «Со­лярне» Гарри Томасона [36]

1 — алюминиевый фартук 2 — полоска из резины или винила 3 — резиновая или виниловая прокладка 4 — стекло (один или два слоя) 5 — медная тру­ба 12 5 мм отверстия 0 8 мм 6 — вол нистый алюминиевый лист 7 — стек ловолокнистая изоляция 8 — кровля 9 — обрешетка 10 — стропила И— стекло 12 — желоб коллектора

к задней стороне черных медных листов Устройство покрыто дв)мя слоями прозрачного стекла

Система «Солярне» Томасона, в которой вода стекает по по­верхности волнистого листа из алюминия или оцинкованной ста­ли, не сталкивается со многими проблемами замерзания, кото­рые связаны с коллекторами трубчатого типа Детали конька и водосточного желоба ею системы показаны на рис 5 18 Два варианта теплопрнемника типа «труба в листе» предлагаются на рис 5 19 и 5 20 В обоих коллекторах тыльная сторона тепло­приемной пластины изолирована пенополиуретаном И опять чрезвычайно осторожно нужно подходить к выбору уретана, ко­торый был бы устойчив к повышенным температурам, достигае­мым коллекторами в нерабочим период (например, летом)

Коллектор, показанный на рис 5 20, сам по себе является конструктивным элементом Он может заменить собой любой элемент типовой крыши, в том числе стропила, утеплитель и кровлю Тсплоприемник состоит из двух сваренных друг с дру-

91см

Рис. 5 21. Коллектор первого поко­ления, устанавливаемый вместо уча­стка крыши; конструкция фирмы «Сануоркс корпорейшн»

I — болт-шайба, 2 — сплошная накладка стропильной балки, 3—неопреновая про­кладка; 4—стекло, 5 — уплотнение: 6 — желоб, 7 — селективное покрытие, 8 — тру­ба; 9, 10 — изоляция. 7/— стропило, 12 — формованный металлический кожух: 13 — пароизоляция, 14 — сухая кладка

Рис 5 22. Детали: модуль, смонтиро­ванный вместо участка крыши; кон­струкция фирмы «Сануоркс корпо­рейшн»

1 — слой изоляции; 2 —к горизонтальной грубе, 3 — обратная труба, ^ — селектив­ное покрытие, 5 — труба, 6 — стропило; 7 — питающая труба

гом листов металла; высокое давление в трубах требует высоко­качественного сварного шва.

Один из первых промышленно выпускаемых солнечных кол­лекторов для отопления зданий в США был спроектирован в 1973 г. Эвереттом Барбером в Гилфорде, шт. Коннектикут. Пер­вые варианты, представленные на рис. 5.21 и 5.22, были приме­нены в нескольких домах (их можно приобрести через фирму «Сануоркс, инк.»). Так называемый «встроенный модуль» был предназначен для установки между стропилами, заменяя собой утеплитель, обрешетку и атмосферостойкую кровлю. На смену этой модели пришел «наружно монтируемый модуль», который размещается на обычной крыше, обеспечивая жесткость здания и необходимую защиту в непогоду от проникновения воды.

Барбер считает, что проверенные и испытанные материалы дают наилучшие долговременные результаты и, следовательно, лучшую долговременную окупаемость. Трубы для теплоносите­ля и пластина теплоприемника, к которой они припаяны, пол­ностью выполнены из меди.

необходимо

Внимание! Для жидкостных систем, в которых используется раствор анти­фриза, необходимо принять все меры, чтобы не допустить отравления бытовой горячей воды Это осуществляется либо путем полной изоляции смеси этилен­гликоля и воды от бытовой горячей воды, либо в результате применения менее токсичного пропиленгликоля (хотя многие специалисты не рекомендуют при менять и пропиленгликоль из за его токсичности)

При необходимости охлаждения здания жидкостная система предпочтительнее воздушной Хотя некоторые исследования про­водились и с воздухом, однако основная работа в области ох­лаждения при помощи солнечной энергии осуществляется с жид­костными системами. Те же (или по крайней мере сходные) тер­модинамические и физические свойства жидкостей, применяемых в обычных системах охлаждения, используются и при их при­менении в системах солнечного теплоснабжения.

Тем не менее и воздушные системы могут успешно приме­няться для охлаждения. Например, в некоторых климатических районах США можно использовать прохладный ночной воздух, продувая его через слой камней, с тем чтобы сохранить прохла­ду для использования на следующий день. При необходимости холодильные компрессоры могут еще более глубоко охлаждать массу камней, используя внепиковую электроэнергию в ночные часы

На выбор теплоносителя может также повлиять тип систем отопления и охлаждения. Например, многие люди чувствуют себя неуютно при принудительном воздушном отоплении или охлаждении, которое наиболее совместимо с обычными систе­мами солнечного теплоснабжения воздушного типа.

В системах лучистого отопления, как правило, применяется горячая вода, хотя существуют системы, в которых теплый воз­дух циркулирует через стену, потолок и плиты перекрытия, из­лучающие тепло. Радиационные системы с горячей водой, такие, как плинтусные радиационные конвекторы, достаточно хорошо совместимы с жидкостными солнечными тепловыми системами. Горячая жидкость, поступающая из коллектора, циркулирует через отопительную систему или через теплообменники в баках — аккумуляторах солнечного тепла. Основным недостатком жид­костных отопительных систем является то, что обычно они рас­считываются на сравнительно высокие температуры воды (60— 90° С) К сожалению, чем выше температура воды, тем’ниже общий КПД солнечных тепловых систем. Паровые системы (бо­лее 100° С) по этой причине не могут применяться в сочетании с солнечной энергией

Принудительные воздушно-распределительные системы мож­но сочетать с жидкостными солнечными коллекторами. Теплая или холодная вода из бака-аккумулятора циркулирует через теплообменники или змеевиковые устройства с вентилятором.

Одновременно через них пропускается воздух, который при этом нагревается или охлаждается. Затем воздух поступает в здание. В случае «Системы Солярис», разработанной д-ром Гарри То­масоном, тепло от бака с водой нагревает окружающие бак камни В свою очередь камни нагревают циркулирующий через них воздух

В некоторых типах зданий пространство, отводимое для раз­мещения системы аккумуляции тепла, ограничено. Пока соли с высокой теплотой фазового перехода не выпускаются промыш­ленностью в достаточном количестве, основным средством ак­кумулирования тепла являются большие баки с водой и отсека­ми с камнями Объем баков составляет от одной трети до поло­вины объема отсеков с камнями. Только этот факт может дик­товать выбор в пользу солнечных коллекторов жидкостного типа. В табл 4 коротко суммированы варианты выбора теплоносите­лей для коллекторов

Таблица 4 Варианты выбора теплоносителей для коллектора Варианты теплоноси теля для коллектора Варианты аккумулятора тепла Варианты системы отопления помещений Воздух Камни Небольшие емкости с водой Небольшие контейне­ры с фазопереходны­ми солями Принудительная подача тепло­го или холодного воздуха Обогреваемые (или охлажда­емые) воздухом радиационные панели Вода или другая жид­кость типа масла или водного раствора ан­тифриза Большие емкости (обычно баки) с во­дой Большие емкости с водой, окруженные камнями Принудительная подача горя­чей или холодной воды, напри­мер по плинтусам или при по­мощи калорифера Радиационные панели с горя­чей или холодной водой Принудительная подача тепло­го или холодного воздуха (для этого требуется теплообменник, чтобы извлекать тепло или про­хладу из аккумулятора и пере­давать его воздуху)

Хотя разным людям могут нравиться разные типы отопи­тельных и охлаждающих систем, однако выбор можно себе поз­волить, как правило, в небольших жилищах, а не в более круп­ных зданиях Поскольку коллекторы работают наиболее эффек­тивно при низких температурах, это в свою очередь определяет температурный уровень циркулирующего теплоносителя Чем ниже температура теплоносителя, тем большее его количество должно участвовать в циркуляции, чтобы обеспечить нужный уровень тепла или прохлады. Чем больше здание, тем вероятнее использование жидкостных систем, поскольку распределитель­ные трубопроводы занимают сравнительно немного места. Что­бы достичь того же КПД с воздушными системами, необходимо предусматривать воздуховоды большого сечения или обеспечи­вать высокие скорости воздуха в сочетании с мощными вентиля­торами. Увеличение размеров воздуховодов вызывает рост за­трат и уменьшение полезной площади. Мощные вентиляторы, обеспечивающие более высокую скорость воздуха по воздухово­дам, требуют повышенных первоначальных и эксплуатационных расходов и увеличения потребления энергии. Более высокие ско­рости воздуха требуют также повышения его температуры с тем, чтобы люди ощущали теплые сквозняки, а не холодные. Один из способов эффективного использования коллекторов воздуш­ного типа заключается в непосредственной подаче воздуха к от­сасывающим вентиляторам в качестве добавочного воздуха или к вентиляционному оборудованию в качестве подогретого вса­сываемого воздуха.

В зданиях, в которых солнечные коллекторы размещаются только на крыше (а не на обращенных на юг стенах), предпоч­тительнее применять жидкостные системы из-за значительного расстояния до массивного теплоаккумулятора, который обычно находится вблизи уровня земли. Более длинные расстояния так­же могут означать, что значительная часть полезной кубатуры здания будет занята воздуховодами. Таким образом, предпочти­тельнее выбор жидкости, которая требует трубопроводов мень­шего сечения. Для всех теплоносителей система каналов и труб должна быть простой, предельно короткой и хорошо изолиро­ванной.

, На выбор теплоносителя может оказывать также влияние и климат. Например, в районах с холодным климатом, где тре­буется только отопление зданий, предпочтительнее воздушные коллекторы. Если жидкий теплоноситель подвержен замерза­нию, то не обойтись без антифриза в воде, чтобы предупредить замерзание коллектора при отсутствии солнца. Другим решени­ем в этом случае является полный слив воды из коллектора при заходе солнца или использование пластмассы, которая не раз­рушается при многократном замораживании и оттаивании. Мож­но устранить замерзание при температурах в несколько граду­сов ниже нуля путем использования дополнительного прозрач­ного покрытия на коллекторе.

Как теплоносители вода и воздух гораздо дешевле масла и антифриза Там, где испытывается недостаток воды, самым де­шевым теплоносителем является воздух. Однако в городах или запыленных районах фильтрация и очистка воздуха может по­требовать больших расходов.

Коллекторы воздушного типа обычно дешевле жидкостных. Другие компоненты системы, в том числе аккумуляторы и теп­лообменники (или их отсутствие), также обходятся дешевле, да и по издержкам на оплату рабочей силы выгоднее устанавли­вать воздуховоды, чем тянуть водопроводные трубы. Кроме того, расходы на текущее обслуживание и ремонт могут быть меньше для воздушных систем, поскольку утечка воздуха не столь раз­рушительна, как просачивание воды. В жидкостных системах растворы антифриза разлагаются и должны заменяться каждые два — четыре года, а расходы на это часто не учитываются. Верно то, что каждый год миллионы литров антифриза заменя­ются в легковых и грузовых автомобилях, однако бытовая сол­нечная энергетическая система требует антифриза в 10—50 раз больше, чем автомашина. Если такие системы будут применять­ся в широких масштабах, то возникнут проблемы обеспечения антифризом и его удаления после использования. Растворы ан­тифриза имеют также более низкую способность переноса теп­ла, чем вода. С другой стороны, воздушные системы по сравне­нию с водяными требуют более высоких эксплуатационных рас­ходов из-за большего количества электроэнергии, необходимой для перемещения тепла вместе с воздухом.

Потенциальные возможности и проектные компромиссы между различными вариантами выбора теплоносителей также рассматриваются ниже в зависимости от типа проекта, строи­тельства и эксплуатационных характеристик тех или иных си­стем.