Тепло, поглощенное солнечным коллектором, должно быть пе­редано в аккумулятор, а оттуда в жилое помещение. Вода и воз­дух— основные транспортные средства передачи тепла.

6.3.1. Вода. Вода течет по трубам, отапливая помещение по­средством змеевиков под полом или с помощью специальных ра­диаторов. Главная проблема водяной системы — коррозия, одна­ко эта система используется чаще, чем воздушная, так как тер­мически более эффективна.

Приблизительно от 10 до 40 л воды в час на 1 м2 поверхности коллектора циркулирует между коллектором и аккумулятором.

6.3.2. Воздух. Главное преимущество воздушной системы со­стоит в отсутствии проблемы коррозии, но температуры коллек­торов должны быть выше, а объемы резервуаров больше, поэто­му стоимость системы возрастает. Воздухообмен между коллек­тором и резервуаром насчитывает приблизительно 0,3 м3/мин на 1 м2. В особом случае, когда отдельного резервуара не требуется (например, в системах Лефевра, Моргана и Тромба — Мишеля), воздушная система может быть экономически выгодной.

Задача солнечных коллекторов — аккумуляция солнечной ра­диации с максимально возможной эффективностью. Существуют различные типы коллекторов, отличающихся внешней формой на­ружных поверхностей, устройством поглощающих поверхностей и аккумулирующих средств.

Для отопления помещения зимой при неблагоприятной погоде солнечные коллекторы должны преобразовывать значительное количество поступающей солнечной радиации в полезное тепло. Они должны повышать рабочую температуру до 60—90° С при очень низких температурах наружного воздуха. При таких темпе­ратурах коллекторы используют около 70% поступающей солнеч­ной радиации на нагревание жидкости (или газа), посредством

которых отапливается помещение. Тип коллекторов выбирается в зависимости от задач, которым они служат. Коллекторы могут быть плоскими, поглощающими солнечные лучи, не концентри­руя, а направляя или рассеивая их, а также трубчатыми, полосо­выми, листовыми или полыми, преобразующими в тепло прямую солнечную радиацию, концентрируемую оптическими или други­ми приспособлениями.

Плоские коллекторы, будучи открытыми для солнечных лу­чей, что особенно важно в условиях европейского климата, пред­ставляют собой тепловой источник большой площади и низкой энергетической плотности. Для того чтобы коллектор работал правильно, он должен быть тщательно изолирован с обеих сто­рон.

Две фирмы, «Браун Бовери К0» (Маннгейм) и «Филипс А. Г.» (Аахен), опубликовали результаты годового эксперимента. Для нескольких местностей, включая Брегенц (Ворарльберг) и Гей­дельберг, фирма «Браун Бовери» определила объем энергии, ко­торую нужно получить. Экспериментальные устройства были снабжены поверхностными коллекторами площадью 1,5 м2. Со­гласно средним полученным параметрам, подсчитано, что в ФРГ количество солнечной энергии может обеспечить нагрев 80% го­рячей воды, требуемой летом, около 20% ■—в зимний период и 65%—в межсезонье. Приведенные данные, естественно, зависят от климатических и технических условий (общей поверхности коллектора, объема аккумуляторов, изоляции, КПД системы и Т. д.).

Фирма «Браун Бовери» впервые использовала поверхностные коллекторы для подогрева воды в открытом плавательном бас­сейне в Вейле — коллектор площадью в 3 тыс. м2 нагревает воду до 24° С. Этот бассейн, проект которого выполнен под руководст­вом Министерства исследований и технологии, является первым примером использования солнечной радиации в качестве энерге­тического источника в Западной Европе. Извлеченный из этого опыт может представлять значительный интерес при обеспечении энергией частных плавательных бассейнов (см. гл. 5).

Научно-исследовательская лаборатория фирмы «Филипс GhibH» достигла высокой эффективности в использовании фоку­сирующих коллекторов, которые применялись первое время на большой площади в экспериментальном доме в Аахене.

В Англии, США, Франции и ФРГ уже применяются различ­ные типы солнечных коллекторов.

6.1.1. Фокусирующие коллекторы (концентраторы радиации). Эти коллекторы имеют вогнутую поверхность. Типичный пример таких коллекторов показан на рис. 39. Они концентрируют сол­нечные лучи зеркалами или эффективными линзами. Температу­ра от 200° С до 500° С может быть получена путем слабой кон­центрации (1:10). При более высокой концентрации лучей мо­жет быть достигнута t до 4000° С.

В тяжелой индустрии или в исследовательских работах сол­нечные концентраторы составляют часть солнечных топок или солнечных силовых станций.

Солнечная топка в Одейло-фон-Ромё (Французкие Пиренеи) имеет систему параболических зеркал 4(У м высоты и 54 м шири­ны (фокусная длина 18,4 м). При этом достигается t = 4000° С (максимальная термическая мощность установки 1000 кВт), ко­торая используется для экспериментов по плавке.

Большие концентраторы радиации построены также в США, Японии, Австрии, Алжире, Греции, Советском Союзе и других странах.

Концентрирующие коллекторы, или, как их называют, зер­кальные коллекторы, должны находиться под постоянным конт­ролем. Они очень чувствительны к загрязнению пылью и мусо­ром, которые снижают их оптические качества. Зеркала можно защитить от воздействия погодных условий стеклянным покры­тием, но стекло в отличие от поверхностных коллекторов должно часто очищаться, чтобы не ослабить прямую радиацию добавоч­ным рассеиванием.

Радиационные концентраторы обычно используют только пря­мую радиацию. Но исследования последних лет показывают, что, несмотря на это свойство, такие коллекторы могут использовать­ся в среднеевропейских климатических условиях для бытовых целей.

Солнечные коллекторы, построенные научно-исследователь­ской лабораторией фирмы «Филипс GrrmH», снабжены тепловым отражающим фильтром с окисью индия (S1T2O3), который имеет

трансмиссию для солнечного света Т = 85% и отражатель для тепловой радиации R = 90%. Коллектор обладает поглощающей способностью солнечной радиации, равной 95%. Некоторые по­казатели, характерные для коллектора фирмы «Филипс» с до­полнительным покрытием, приводятся в табл. 8. Эти показатели были получены экспериментально при нагреве воды в летних ус­ловиях.

Фирма «Лайби, Нойеншвандер и К°» (Берн, Швейцария) также выпускает фокусирующие солнечные коллекторы, которые состоят из многочисленных параболических зеркал. Прямая ра­диация, поглощаемая зеркалами, концентрируется в трубе, на­правленной по фокусирующим линиям, проходя через которую поток жидкости нагревается. Для избежания тепловых потерь при передаче концентрируемая энергия должна попадать непо­средственно внутрь трубы, которая для этой цели делается про­зрачной. Внутри нее имеется черный поглотитель, который пере­дает полученную энергию на нагревательные средства с помощью конвекции.

В Великобритании компания «Силовые системы» использует параболические фокусирующие солнечные коллекторы, в кото­рых цилиндрические параболические рефлекторы вращаются вокруг трубы по фокусирующим направлениям, следующим за солнцем. Труба с циркулирующей жидкостью зачернена для по­глощения радиации и покрыта концентрической стеклянной тру­бой для уменьшения тепловых потерь.

Дальнейшая эксплуатация покажет, какой тип коллектора наиболее экономичен.

6.1.2. Плоские коллекторы. Этот тип коллекторов имеет плос­кую поглощающую поверхность, его работа основана на парни­ковом эффекте. Плоские коллекторы состоят из каркаса (пласти­кового, стеклянного или деревянного), прозрачного покрытия (одинарного, двойного, тройного, стеклянного или пластикового), поглощающих поверхностей (избирательных или неизбиратель­ных), изоляции и средств передачи тепла (воздух, вода, масло, бензин и т. д.).

Характерные особенности избирательных наружных поверх­ностей в современных солнечных коллекторах были эксперимен­тально изучены проф. Табором, который определил оптимальную комбинацию двух тонких слоев прозрачного покрытия, которая обеспечивает 94% поглощения солнечной радиации при 6% со­ответствующей эмиссии. Все элементы плоского коллектора об­разуют вместе устройство для поглощения солнечной радиации, которое охлаждается средствами теплопередачи. Однако получа — . емая солнечная энергия может быть использована лишь частич­но, так как часть ее теряется при отражении, поглощении или утечке через конструктивные элементы.

Оптимальный по КПД плоский коллектор с температурной шкалой до 100° С должен обладать следующими качествами: прочными конструкциями; при потребности в средней темпера­туре эффективностью не ниже 50—60%; при низких темпера­турах— 70—80%, высоких температурах — 20—30%.

Материалы, используемые для изоляции, а также облицовки плоского коллектора должны обладать возможно более низкой теплопроводностью. При коротком периоде солнечной радиации рабочая температура коллектора должна достигаться в мини­мальные сроки. Наружная поверхность теплоизоляции должна быть устойчива при любых атмосферных условиях.

Главные теплопотери коллекторов происходят вследствие за­грязнения, затенения от стоек и перемычек каркаса, отражения от стеклянных покрытий, а также при передаче тепла сквозь стекло. Кроме того, существуют потери радиации, передаваемой стеклянными покрытиями, возникающие в результате теплопо­терь через водосточные желоба в поглощающих поверхностях (они пропорциональны разности в температурах наружных и по­глощающих слоев и, следовательно, могут быть представлены значением К для коллектора), а также потери тепла от поглоще­ния холодной воды, конвекции в воздушных слоях между поверх­ностью коллектора и стеклянным покрытием, потери тепла, про­водимого через стойки или изоляцию стеклянного покрытия и че­рез воздух между коллектором и стеклянным покрытием.

Соотношение между энергией поступающей радиации и по­лезной тепловой производительностью определяет эффектив­ность коллектора. Самая высокая температура, которая может быть получена коллектором, достигается тогда, когда добавочное полезное тепло не уходит через средства теплопередачи, т. е. когда полученная энергия радиации равна потерям коллектора плюс извлеченное полезное тепло. Это называется непроизводи­тельной, или уравновешенной, температурой.

Различные непроизводительные температуры соответствуют проекту и качеству коллектора, интенсивности радиации и окру­жающим условиям. Например, в средней Европе солнечная ра­диация в 800 ккал/ч может считаться нормальной величиной. При такой радиации коллектор с одинарным остеклением может

выработать температуру до 100° С, в то время как коллектор с тройным остеклением может дать температуру до 190° С, а обыч­ный коллектор с плоским покрытием обеспечивает нагрев лишь до 70—80° С.

Эффективность коллектора может быть увеличена специаль­ной обработкой стеклянного покрытия, панелей, листового мате­риала и поглощающих поверх­ностей. Коллектор с эффектив­ностью 70% может рассматри­ваться как нормальный в слу­чае обычного низкого уровня тепла.

Размеры поглощающих по­верхностей установки зависят от того, как много требуется тепла, как спроектированы дом и коллектор, от географиче­ских и климатических условий. Для горячего (^ = 80—100° С) водоснабжения дома в средней Европе достаточно коллектора площадью 7—10 м2 в том слу-

чае, если возможно хране­ние соответствующего коли­чества энергии. Для обогре­вания комнаты площадью от 30 до 150 м2 требуется при соответствующей инсо­ляции и климатических ус­ловиях добавочная мощ­ность теплового возмещения, получаемая от аккумуля­тора. Наклон коллекторов определяется обычно для зимних условий (см. рис. 46 и 47).

Величины, полученные экспериментально, следую­щие:

наклон — от +10° до + 15° (по отношению к гори­зонту);

если коллектор использу­ется только в летнее время, то наклон—15°.

Наиболее известными «классическими» коллекто­рами считаются: водяной

тип — MIT (рис. 40); воз­душный тип — Денован — Блисс (рис. 41); воздуш­ный тип — Лёф (рис. 42); масляный тип — Александ­ров (рис. 43); воздушный тип — Франция (рис. 44).

Не считая этих ставших уже классическими коллекторов, в сегодняшней практике используются и другие модели, снабжен­ные интересными усовершенствованиями. Солнечные коллекто­ры, работающие летом и зимой в суровых климатических и теп­ловых режимах, подвергаются различным опасностям, которые могут быть учтены в проекте.

Основные проблемы, встречающиеся при эксплуатации сол­нечных коллекторов, следующие: перегрев, опасность замерза­ния, коррозия, загрязнение, повреждение, тепловое расширение (сужение), утечка тепла.

Эти проблемы могут изменяться в зависимости от климатиче­ских условий, средства их устранения меняются от одной модели к другой. Фирма-изготовитель гарантирует работу коллекторов, обеспечивает такие технические характеристики, как эффектив­ность, тепловые величины ит. д., в соответствии со стандартом.

Одна из основных проблем использования солнечной энергии для центрального отопления состоит в том, что солнечного тепла достаточно в тот сезон, когда меньше всего требуется отопление. Наоборот, отопление требуется тогда, когда дневное солнечное излучение составляет всего несколько часов. Таким образом, чтобы использовать солнечную энергию тогда, когда она действи­тельно нужна, она должна быть не только собрана, но и сохране­на. Совершенная система сохранения солнечной энергии должна работать днем и ночью, летом и зимой.

Тепло, полученное от солнца, может быть использовано так­же и без аккумулятора, если полученная сумма этого тепла до­статочна. Если же потребность в тепле больше, чем может дать солнце, то к солнечному теплу можно добавить энергию от других источников, например нефти (масла). «Краткосрочное» хранили­ще энергии должно сохранять ее от нескольких часов до несколь­ких дней, но в этом случае потребуется значительное вспомога­тельное нагревание.

Использование системы солнечного отопления с кратковре­менным хранением энергии означает, что около 50—70% этой энергии может быть сэкономлено в зависимости от климатиче­ских условий и инженерных конструкций. При долгосрочном хра­нении энергии излишек тепла, полученного за лето, должен со­храниться для зимы. Аккумулятор может удерживать энергию благодаря увеличению накапливаемого тепла, что является след­ствием повышения температуры теплоносителя. Полезное тепло, будучи результатом особого рода тепла, в свою очередь, изменя­ет массу и температуру.

В результате утилизации полезного тепла жидкого или твер­дого содержимого резервуара внутренняя энергия системы изме­няется путем увеличения кинетической и потенциальной энергии молекул вещества, заполняющего резервуар. Увеличение внут­ренней энергии может быть результатом изменения состояния субстанции, например перехода от жидкого состояния к твердо-

му. В этом случае внутренняя энергия аккумулятора изменяется при помощи эквивалента «скрытого» тепла, который соответст­вует изменению его состояния (например, скрытое тепло плавле­ния или испарения). Таким образом, тепловые аккумуляторы подразделяются на два типа: открытого и скрытого тепла.

В большинстве стран наиболее дешевым средством аккумули­рования тепла является вода. Это дает возможность получить са­мый высокий уровень тепла. Табл. 9 содержит показатели для

различных материалов, заполняющих аккумуляторы, выражен­ные как специальное тепло, измеренное в ккал/(м3-°С),

Наиболее важными критериями качества в выборе соответст­вующего типа аккумулятора являются следующие показатели: сколько тепла, когда и какой температуры должен отдавать аккумулятор;

какие тепловые потери имеют место в период хранения; какая площадь необходима аккумулятору; в каких конструкциях должен быть решен аккумулятор для того, чтобы его стоимость была минимальна при данной мощно­сти; — л

каково соотношение между накопленной и вводимой извне энергией. .

Для того чтобы решать проблемы хранения энергии наиболее экономичным способом, что в принципе не так сложно, но пока еще очень дорого, во всем мире ведутся исследования. Примером служит хорошо инсолируемый дом в Швейцарии (400 м над уров­нем моря), который требует около 15—22 Гкал энергии в год.

Часть этой энергии может быть запасена зимой с помощью _ тепловых насосов. Таким образом, согласно расчетам П. Кессел — ринга, в летний период необходимо запасти для зимы только око­ло 6 Гкал солнечной энергии. Однако специалисты до сих пор не достигли соглашения относительно необходимого объема энерге­тического резервуара. Работа системы, обеспечивающая ее неза­висимость в период плохой погоды, связана с преобладающими климатическими условиями и изменяется от 6 часов до 10 дней. Естественно, труднее и дороже дождаться двух удовлетворитель­ных дней в Дании, чем десяти таких же на Канарских островах. Тепловые системы, основанные на использовании солнца, дают несколько вариантов хранения тепла. Например, можно исполь­зовать воду или насыпную гальку (камень); иногда в качестве средства хранения тепла используют окружающий грунт.

Хранение тепла — всегда относительно дорого стоит.

Для решения проблемы предложены системы, где изолирован­ный объем аккумулятора необязателен. Так, в системах Лефев — ра, Моргана и Тромба— Мишеля сами конструкции здания со­храняют тепло, благодаря чему стоимость всей солнечной уста­новки существенно снижается. В Японии применяются солнечные установки для горячего водоснабжения, в которых коллекторы сочетаются с аккумуляторами. и

6.2.1. Резервуары горячей воды. Резервуары горячей воды наи­более распространены для накопления энергии. Многие спец. иа-

листы рассматривают горячую воду как лучшую форму хранения тепла, хотя проблемы коррозии представляют некоторые трудно­сти. Для того чтобы избежать тепловых потерь, водяные резер­вуары должны быть хорошо изолированы. Иногда используются в качестве хранителя тепла вода и галька (камень) в комбина­ции. 1 м3 чистой воды сохраняет 1000 ккал/°С.

Температура, при которой вода может быть использована для обогрева, начинается от 70—80°С и кончается при использовании тепловых насосов около 4 °С. Согласно исследованиям Фишера, хорошо изолированный односемейный дом с объемом резервуара горячей воды в 200 м3 может сохранить достаточно энергии, на­копленной за лето, до зимы, имея в виду непрерывный ввод мощ­ностей осенью, зимой и весной. Используемое тепловое содержи­мое аккумулятора меньше, чем его объем, поскольку между хра­нением и использованием происходят теплопотери в окружаю­щую среду. Постоянное время потерь зависит от контролируемых геометрических и материальных параметров, в частности следу­ющих:

объема хранилища и площади поверхности слоя;

толщины изоляции;

определенной температуры жидкости, заполняющей аккуму­лятор;

теплопроводности изоляционных материалов.

Если определенная сумма тепла достаточна на данный отре­зок времени, то возможны различные методы его хранения. Мож­но использовать небольшой, но хорошо изолированный резер­вуар или большой аккумулятор с более Коротким постоянным временем нагрева, т. е. с более высокими теплопотерями. Воп­рос состоит в том, какое решение оптимально. Оптимальность ре­шения проблемы определяется стоимостью самого аккумулятора, а также стоимостью его содержания. Наиболее важны следую­щие факторы:

стоимость 1 м3 конструкций аккумулятора;

стоимость 1 м3 изоляции;

минимальная допустимая температура;

температурные различия между аккумулятором и окружаю­щей средой;

продолжительность периода работы аккумулятора;

количество тепла, пригодного для использования по истече­нии определенного отрезка времени.

Исходя из перечисленных условий параметры аккумулятора могут быть рассчитаны так, чтобы максимально снизить стои­мость установки. По возможности тепло, отдаваемое окружаю­щей среде (потери хранения), должно быть полезным для дома, т. е. сохраняться внутри дома. Также полезно наслаивать храня­щееся тепло в трех различных температурных уровнях, которые вместе можно использовать для трех различных целей. Напри­мер, бытовая вода (f = 50—80°С), вода для отопления дома в пе-

рекрытии пола (f = ЗО—50° С) и вода (£>30° С) как вводимая в солнечные коллекторы мощность. В конце осени все три камеры должны нагревать вместе воду до 80 °С, чтобы с началом зимне­го сезона использовать вместимость аккумулятора целиком для максимального обеспечения теплом.

Первый «солнечный дом», MIT 1, построенный в Кембридже, •США, в 1939 г., накапливал солнечную энергию для зимы. Дом имел жилую площадь 46,5 м2 и водяной резервуар объемом 62 м3 (см. гл. 5, рис. 23). На рис. 48—51 показаны различные вариан­ты водяных нагревательных резервуаров.

6.2.2. Аккумуляторы с каменным заполнителем. Такие дешевые материалы, как камень, крупнозернистый гравий или галька (бе­тонная или кирпичная), являются хорошими аккумуляторами тепла. Однако эти материалы нуждаются в больших емкостях вследствие незначительного температурного диапазона, который пригоден для обычных плоских солнечных коллекторов или кото­рый желателен для высокой эффективности. Хотя стоимость ма­териала незначительна, сам контейнер, пространство, требуемое для хранилища, а также загрузочные и разгрузочные устройства достаточно дороги. Передача тепла при этом обычно очень про­ста. В аккумуляторы с «твердым материалом» воздух попадает прямо через слои камня или через трубопровод в бетонном хра­нилище и нагревается или охлаждается (см. гл. 5, рис. 28). За­грузка или разгрузка этих аккумуляторов с постоянно изменяю­щейся температурой требует устройства автоматического контро­ля, который мог бы регулировать эту постоянно колеблющуюся систему. Эти аккумуляторы уже исследованы теоретически и экс­периментально во всем мире (рис. 52—55).

Обладая 30%-ной пористостью при трехслойной загрузке, камень в отличие от воды заполняет лишь треть объема аккуму­лятора. Часто аккумуляторы с каменным заполнением требуют в четыре раза большего объема, чем водяные резервуары той же мощности. Камни обычно имеют диаметр 5 см и менее. 1 м3 кам­ней может сохранить около 400 ккал-°С.

В 1945 г. Джорж Д. Лёф построил первый «солнечный дом» («Валунный дом» в Колорадо), в котором тепловой запас обес­печивался 8 т гравия объемом около 5 м3.

6.2.3. Химические аккумуляторы. В 1944 г. проф. Мария Тел — кес из Делавэрского университета создала систему солнечного аккумулятора, используя глауберову соль (Na2S04-ЮН20). При повышении температуры с 27 до 38° С соль способна аккумулиро­вать по крайней мере в восемь раз больше тепла, чем тот же са­мый объем воды выше той же температурной шкалы. Глау­берова соль плавится при температуре 38° С, и поглощенное теп­ло вновь уходит на ее отвердение.

Стоимость такого аккумулятора выше, чем водяного, но эко­номия достигается за счет объема и изоляционных материалов. Глауберова соль не изменяется в объеме и не нуждается в обнов-

Рис. 54. Тепловой акку­мулятор с бетонными, сохраняющими тепло сте­нами (Тромб—Мишель)

1 — рад-иация; 2 — стеклян­ные панели; 3 — толстые бе­тонные стены, служащие ак­кумуляторами (черные сна­ружи); 4 — движение тепло­го воздуха в жилое поме­щение; 5 — движение холод­ного воздуха в коллектор; 6"—жилое пространство; 7 — выпуск воздуха; 8 — воздуш­ная прослойка

лении. Дом Пибоди в Довере (США), построенный между 1944 и 1948 г., с аккумуляторами на глауберовой соли, нагреется за 6— 10 дней, аккумулируя солнечную энергию.

В 1961 г. Мария Телкес провела экономические расчеты для среднего дома с 75 600 ккал накопленного тепла. Данные приве­дены в табл. 10.

Эти результаты, однако, слишком оптимистичны, так как стои­мость единицы-объема резервуара для скрытого теплового накоп­ления и для скрытой химической аккумуляции тепла берется оди­наковой. Существует еще целый ряд трудностей, которые нужно преодолеть в этой системе, и много других химикатов, которые нужно исследовать. Например, «Филипс» в Аахене отобрал для изучения четырехокисный фтористый калий.

Важнейшими критериями качества в отборе пригодных хими­катов служат:

большая величина теплового запаса на единицу объема;

хорошая теплопроводность в загрузочном и разгрузочном со­стоянии;

небольшие изменения объема;

химическая устойчивость;

низкая коррозийность;

низкая стоимость.

Для аккумуляторов, которые используют скрытое тепло, при­меняют гидрированные соли, которые растворяются в воде при кристаллизации и могут при этом брать много тепла. Многие из них имеют низкую стоимость и пригодны частично как «добавки» (см. прил. 1). В качестве аккумулирующих скрытое тепло мате­риалов могут быть использованы различные органические сое­динения, особенно парафин.

Химические аккумуляторы могут поглощать значительно больше энергии на единицу объема при более низкой температур­ной шкале, чем просто резервуары. Химические аккумуляторы могут накопить тепла в пять раз больше, чем резервуары с горя­

чей водой того же объема. По сравнению с аккумуляторами с ка­менным наполнением химические аккумуляторы мощнее в девять раз.

Многие специалисты склонны считать, что будущее за химиче­скими аккумуляторами, но какая система аккумуляции солнечно­го тепла является лучшей, покажет время. На протяжении не­скольких лет уже работает много установок, которые помогут ре­шить эту проблему.

Основные функции солнечной тепловой системы — поглоще­ние, передача, хранение и отдача тепла — выполняются множе­ством различных устройств (водопроводом, паровыми котлами, регулировочными приборами и т. д.). Но главными элементами, характеризующими систему использования солнечного тепла, служат коллектор и тепловой аккумулятор. Эти два элемента со­ставляют главное звено солнечной тепловой системы, и можно сказать, что качество солнечного устройства непосредственно зависит от высокого качества его коллектора и аккумулятора. Вспомогательные функции в солнечной тепловой системе выпол­няет тепловой насос.

Владельцам плавательных бассейнов особенно выгодно ис­пользовать солнечную энергию, так как нужное оборудование лучше всего работает в жаркую погоду. В США, где частные плавательные бассейны — обычное явление, использование сол­нечной энергии в этом случае также нередко. В настоящее время уже свыше миллиона плавательных бассейнов оборудовано солн­ценагревательными устройствами.

А. Е. Фарбер, директор энергетической лаборатории универ­ситета во Флориде, провел сравнительные эксперименты с тради­ционным и солнечным источниками для подогрева воды в плава­тельном бассейне. Эксперименты показали, что солнечный подо­грев эффективнее, особенно в тех случаях, когда система связана с солнечной отопительной системой всего дома. В этом случае температура воды может подняться на 22° С выше температуры окружающего воздуха.

Среди многих систем, предлагаемых промышленностью в США, наиболее известна система Бюрке Раббер К0 (Сан Хосе, Калифорния). Солнечные коллекторы этой системы состоят из плоских черных пластиковых контейнеров (Дюпон-Хайплон),, обычно устанавливаемых на крыше. Насос качает воду из бас­сейна в коллекторы и после ее нагрева направляет обратно благо­даря естественной термической циркуляции. Элементы коллекто­ров имеют стандартные размеры (2,4X2,5; 2,4X3,6 м).

Одна американская фирма предлагает нагревательные уст­ройства «сделай сам» для подогрева воды в плавательном бассей­не, которые при нормальных условиях могут нагревать 45 тыс. л воды.

Самая большая проблема подогрева плавательного бассейна с помощью солнца — это большие потери тепла с поверхности во­ды. С 1955 г. Брукс, Лёф, Рут, Чернецки и другие специалисты пытались отыскать возможности сокращения потерь тепла. Один из способов — закрывать бассейн в то время, когда он не экс­плуатируется, большим пластиковым щитом, изготовленным из тонкого поливинилхлорила (Чарнецки). Этот щит пропускает солнечную радиацию и в то же время действует как утеплитель, сохраняющий тепло. В том случае, когда требуется вода средней температуры, тот метод позволяет продлить купальный сезон без добавления солнечных коллекторов и в то же время помога­ет сохранить воду чистой.

Первое в Европе солнечное нагревательное устройство для плавательного бассейна было изготовлено Брауном Бовери (Мангейм, ФРГ) (см. рис. 18). Купание на открытом воздухе в Вайле осуществлялось главным образом за счет электрического нагревания и требовал примерно. 700 тыс. кВт-ч в сезон (с мая по сентябрь). Это устройство было заменено солнечной нагрева­тельной системой, которая нагревала воду до 24° С. Электриче­ская энергия (для подкачки воды)’ потребовала 70 тыс. кВт-ч за сезон (т. е. 10% от прежних расходов электроэнергии). Площадь, необходимая для установки солнечных коллекторов, — около 1500 м2. Для того чтобы помещение можно было использовать в других целях, коллекторы устанавливаются по периметру его стен. Дополнительное тепло, требуемое при суровых погодных условиях, используется одновременно в охлаждающей системе катка, который заливается в1 этом помещении.

Таким образом, с мая по октябрь пемещение используется как каток; в холодные месяцы, с ноября-декабря по февраль-март, энергия, получаемая при охлаждении катка, с помощью теплово­го насоса отапливает помещение плавательного бассейна. В пе­реходные периоды (апрель-май и сентябрь-октябрь) обогрев по­мещения не требуется и тепло идет на нагревание бассейна, что позволяет увеличить купальный сезон (с апреля по октябрь). Ежегодная потребность в энергии катка и бассейна вместе не вы­ше, чем раньше требовалось энергии для одного бассейна.

На первый взгляд может показаться парадоксальным полу­чение холода из солнечного тепла. Однако посредством исполь­зования солнечной энергии можно получить множество нужных для человека благ — от кондиционирования помещений до изго­товления льда.

Если здание нуждается летом в кондиционировании при нор­мальных европейских условиях, то это результат непродуманного решения его конструкций. Даже в жарких странах, например в Северной Африке или на Среднем Востоке, дома могут быть по­строены таким образом, что в них без специального оборудова­ния будет сохранятся естественная прохлада. В традиционной архитектуре существует много примеров подобных решений. Однако если воздушный кондиционер необходим, то можно ие — пользовать энергию солнца, поскольку в жаркие дни, когда нуж­но охлаждение, энергия солнечного излучения максимально до­ступна и таким образом полностью отпадает забота об аккумули­ровании энергии. Воздух в комнатах может охлаждаться посред­ством солнечного тепла, с использованием простых естественных процессов, например испарения жидкостей.

5.3.1. Охлаждение помещений (эффект охлаждения путем ис­парения воды). Известный физический принцип гласит, что при испарении жидкостей тепло (скрытая теплота испарения) акку­мулируется из окружающего воздуха и таким образом возника­ет эффект охлаждения. Хей и Джеллотт в своей ранее упомяну­той системе использовали этот эффект для кондиционирования зданий.

На плоской кровле слой воды в 21 см летом за ночь охлаж­дается благодаря радиации и испарению (рис. 34). Днем вода на­крывается тяжелой полиуретановой плитой толщиной 4,5 см, которая не пропускает прямую солнечную радиацию. Холодная вода на крыше охлаждает жилые помещения через потолок. Среди домов, построенных на этом принципе, «Sky-therm» — дом в Финиксе (США; архитекторы Хей и Джеллотт, 1967 г.); «Солнечный дом» в Атаседеро (Калифорния, США; архит. Хей, 1975 г.). Дом в Финиксе был испытан и получил хорошую оцен­ку.

Основная проблема состоит в том, что во многих жарких странах, где воздушный кондиционер действительно необходим, вода редка и дорога. Это значительно повышает эксплуатацион­ную стоимость сооружения.

5.3.2. Охлаждение помещений посредством обратного парни­кового эффекта. В солнечных коллекторах, действующих по прин­ципу парникового эффекта, все направлено на то, чтобы увели­чить поглощение и уменьшить потерю тепла, отражения и обрат­ной радиации. Для охлаждения, т. е. уменьшения поглощения тепла, можно принять различные меры. В их числе:

уменьшение прямой радиации путем ориентации здания;

увеличение естественной обратной радиации;

использование прозрачных поверхностей для термической ра­диации (например, полиэтиленовых пленок);

подбор отражающих поверхностей на кровле и стенах (алю­миний, стекло, вода, пластиковые пленки, белая отделка);

термоизоляция.

Эти меры могут комбинироваться, например внешние стены — окрашиваться белой краской, а внутренние поверхности — обли­цовываться алюминием. Эксперименты показали, что подобными методами можно достигнуть внутренней температуры, которая будет на 10—20° ниже, чем внешняя.

5.3.3. Солнечная энергия для естественных процессов, связан­ных с охлаждением. Процессы конвекции делают возможным охлаждение путем испарения жидкостей под давлением. Аммиак

/

Рас. 34. Система естественного солнечного кондиционирования (Хэй-Джел — лотт)

(раствор), отличающийся очень низкой точкой кипения, часто используется как жидкая среда. Этот процесс требует энергии, которая при определенных условиях может получаться от солнца (см. рис. 34 и 35).

Французский исследовательский институт (CNRS) построил в Пиренеях экспериментальную установку, где используется фо­кусирующий коллектор производительностью 25—50 кг льда в день.

Эта установка также способна преобразовать солнечную энер­гию в электрическую энергию, и, используя ее, приводить в дей­ствие стандартное оборудование для охлаждения.

Ё Советском Союзе Ариф Шодиев построил солнечный реф­рижератор, в котором жидкость заменена твердым веществом. Под действием солнечной радиации это вещество, не превраща­ясь в жидкость, принимает форму кристаллов, что сопровожда­ется охлаждением. Этот солнечный рефрижератор работает без компрессора. С повышением температуры окружающей среды ав­томатически производится больше льда.

Специалисты считают, что широкое внедрение солнечных ох­ладительных установок произойдет быстрее, чем обогреватель­ных установок, потому что максимум радиации приходится имен­но на те районы, где действительно нуждаются в охлаждении, и, таким образом, проблема дорогостоящего аккумулирования ус­траняется.

В США строятся два очень больших здания, снабженных кон­диционированием на солнечной энергии. В Рокфеллеровском центре в Нью-Йорке фирма RCA строит двенадцатиэтажное ад­министративное здание, которое на 100% обогревается и частич­но кондиционируется за счет солнечной энергии. В Виргинии, со­гласно исследовательской программе NASA, строится здание площадью 18 000 м2 с коллектором площадью 5000 м2. Вся необ­ходимая энергия для воздушного кондиционера в этом здании бу­дет получаться за счет солнечной энергии.

Почти половина всей производимой энергии используется для обогрева воздуха (например, в Швейцарии около 46%). Солнце светит и зимой, но это рассеянное и прямое излучение обычно недооценивается.

Декабрьским днем недалеко от Цюриха физик А. Фишер ге­нерировал пар; это было, когда солнце находилось в своей са­мой низкой точке, а температура воздуха была 3° С. Днем поз­же солнечный коллектор площадью 0,7 м2 нагрел 30 л холодной воды из садового водопровода до +60° С.

Солнечная энергия зимой может легко использоваться дЛй обогрева воздуха. Весной и осенью, когда часто бывает солнеч­но, но холодно, солнечный обогрев помещений позволит не включать нефтяное отопление. Это дает возможность сэконо­мить часть энергии для работы всей системы. Для домов, ко­торыми редко пользуются, или для сезонного жилища (дачи, бунгало, кемпинги), обогрев на солнечной энергии особенно по­лезен зимой, что исключает чрезмерное охлаждение стен, пред­отвращая разрушение от конденсации влаги и плесени. Таким образом, ежегодные эксплуатационные расходы в основном снижаются. Чтобы согреть дом зимой, не требуется большой поверхности коллектора, но та же установка снабжает дом го­рячей водой летом, когда дачи и кемпинги в основном и исполь­зуются.

Хотя греческий писатель Ксенофонт описал около 2400 лет назад возможное использование солнечной энергии, первые до­ма, в которых пытались использовать солнечную энергию, были построены только между 1930 и 1945 г. Но первые попытки по­терпели неудачу из-за низких теплоизоляционных качеств этих домов: в них было слишком много окон. Эксплуатация «солнеч­ного дома» MJT 1 (рис. 23), построенного в 1939 г., дала инте­ресные результаты (Массачусетский технологический институт, X. С. Хоттел, Б. Б. Воертс). Это экспериментальное здание пло­щадью примерно 46 м2 с солнечными коллекторами площадью 37 м2, установленными на* солнечной стороне крыши под углом 30°. Коллекторы работают на воде, поглощающие поверхности и трубы из меди, остекление тройное, аккумуляторы — на 62 тыс. л воды, которая к концу лета нагревалась до 75° С. Го­рячая вода нагревала воздух в помещении. Этот дом определил первые проблемы, связанные с использованием солнечного обо­гревания, например: течь водяных баков, поломка коллекторов при термальном расширении, недостаточное утепление и доро­говизна секций накопительных аккумуляторов. На рис. 24, 29, 30 показаны системы других отопительных систем на воде.

В этот период уже были обоснованы основные составные час­ти солнечной отопительной установки: солнечный коллектор

(водяного или воздушного типа, концентрирующий или нет); теплоноситель для аккумулятора (вода, камень, бетон или хи­мические материалы, сохраняющие тепло); теплоноситель для отопления помещений (вода, воздух или химикалии); нагрева­тельные приборы (радиаторы, трубы, проложенные под полом, и т. п.). В зависимости от требований они могут комбинировать­ся в различных вариантах. Детально эти компоненты анализи­руются в гл. 6.

Поиски технически и экономически удовлетворительных ре­шений привели к появлению сотен патентов в разных частях света, многие из них были осуществлены и испробованы. Неко­торые из наиболее известных описаны ниже.

Рис. 23. Солнечная отопи­тельная система MIT-1

1 радиация; 2 — водяной сол­нечный коллектор; 3 — промежу­точная зона; 4 — циркуляцион­ный насос; 5 — накопительный бак для горячей воды; 6 — теп­лый воздух, обогревающий жи­лое пространство; 7 — канал для возврата воздуха; 8 — жилое пространство; 9 — утеплитель

Рис. 24. Водяная солнечно­отопительная система (ос­новной принцип работы)

1 — радиация; 2 — водяной сол­нечный коллектор; 3 — горячая вода, направляемая в накопи­тельный бак; 4 — циркуляция нагретой солнцем воды; 5 —на­копительный бак для горячей ВОДЫ; 6 — циркуляция воды для отопления; 7 — нагревательный

прибор; 8 — холодная вода; 9 — горячая вода; 10 — ввод холод­ной воды; 11 — жилое простран­ство; 12 — подвал

5,2,1, Система MJT. Самый первый «солнечный дом», по­строенный между 1939 и 1959 г., в Массачусетском технологиче­ском институте архитекторами X. С. Хоттелом, Б. Б, Воертсом, А. Г. Диетсом, С. Д. Энгебретсоном, имел водяную отопитель­ную систему, ставшую с тех пор классической (рис. 23). Вода, наполняющая солнечные коллекторы (с одинарным, двойным

и тройным остеклением), поглощала солнечное тепло. Эта теп — — лая вода накачивалась в аккумуляторы, расположенные в под­вале. Горячая вода в аккумуляторах нагревала воздух, кото­рый нагнетался в жилые помещения.

Типичный пример системы МЛ дает «солнечный дом» № 3 (архитекторы, X. С. Хоттел и С. Д. Энгебретсон, 1949 г.). Экспе­риментальное здание одноэтажное, однокомнатное. Площадь пола 55,7 м2. Площадь поверхности солнечного коллектора во­дяного типа 37,2 м2, наклон в южную сторону 57°, двойное остек­ление, цилиндрические аккумуляторы 91 см в диаметре, 9,1 м высоты, емкостью 6750 л. 30% энергии радиации поступает в аккумуляторы. В среднем 90% всех потребностей в отоплении дома удовлетворялись за счет солнечной энергии (в самые хо­лодные месяцы 75—85%). Энергетическая автономия здания (независимость от внешних источников энергии) составляет два дня.

5.2.2. Система Телкеса—Раймонда. В этой системе были впервые установлены в 1948 г. солнечные коллекторы воздуш­ного типаі с аккумуляторами, использующими глауберову соль (Na2SO4-10H2O) (рис. 25).

В солнечных коллекторах нагревался воздух, который по­ступал в химические аккумуляторы. Теплый воздух по каналам направлялся из аккумуляторов в жилые помещения.

Типичный пример —Дом Пибоди в Довер-Масс (США; ар­хитекторы М. Телкес и Е. Раймонд, 1948 г.). Двухэтажный дом, однако второй этаж не отапливается. Солнечные коллекторы воздушного типа площадью 66,9 м2 установлены вертикально с южной стороны. Аккумуляторы тепла емкостью 13,3 м3, напол­ненные глауберовой солью (Na2SC>4-10Н2О). Общий объем ак­кумулятора— 28,3 м3; 80% всех потребностей в отопле­нии дома удовлетворялись за счет солнечной энергии. Запасное обогревание — электрическое. Энергетическая автономия зда­ния— шесть дней.

5.2.3. Система Блисса — Денована. Дом, оборудованный та­кой системой с аккумулятором, заполненным гравием, был по­строен в 1945 г. Нагретый воздух из солнечного коллектора по­ступал в аккумулятор, а оттуда уже в жилое помещение через вторую циркуляционную систему (рис. 26).

Типичный пример — Дом Блисса в Амадо, Аризона (США; архитекторы Р. В. Блисс и М. К. Денован, 1954 г.). Это был пер­вый дом, в котором обогревание и кондиционирование осущест­влялось целиком за счет солнечной энергии. Одноэтажный дом площадью 65 м2. Площадь поверхности солнечного коллектора воздушного типа 29,2 м2, одинарное стекло, аккумулятор вмести­мостью 65 т с галькой (емкость 35 м3), в подвале было преду­смотрено запасное электрическое обогревание, но оно не ис­пользуется. Летом кондиционирование осуществлялось при по­мощи той же системы.

Эстетические и архитектурные проблемы не были решены, но правильность всей системы была доказана. Эта система так­

часто использовалась во мно­гих зданиях с некоторыми изменениями, иногда усовер­шенствованиями.

5.2.4. Система Лёфа. Первая система с воздуш­ными коллекторами и акку­муляторами с гравием была использована в Булдер-Ха — ус, построенном в 1945 г. Обогревание осуществля­лось распределением горя­чего воздуха. Аккумулятор тепла мог устанавливаться как горизонтально, так и вертикально (рис. 27).

Типичный пример — дом Лёфа в Денвер Колорадо (США, 1959 г.). Жилая пло­щадь около 186 м2. Площадь поверхности коллекторов воздушного типа 55,7 м2. Они установлены на южной сто­роне кровли под углом 45°. Воздух, нагреваемый в кол-

лекторах, подается с помощью мотора в 1 л. с. в аккумулятор, который состоит из двух вертикальных цилиндров (91 см в диа­метре, 5,5 м в высоту), заполненных 6 т гравия. Воздух про­ходит через горячий гравий и поступает в жилое помещение. Зимой около 25—30% необходимой отопительной энергии и часть потребностей в горячей воде удовлетворяются солнечной энергией. Летом специальные коллекторы с одинарным остекле­нием дают энергию для кондиционирования, а коллекторы с двойным остеклением снабжают горячей водой.

5.2.5. Система Лефевра. Эта очень интересная и простая си­стема была впервые использована в 1954 г. Стены здания обо — ; греваются посредством вертикально установленных коллекто — ‘ ров и служат аккумуляторами (рис. 28). Таким образом, обыч­но очень дорогой аккумулятор тепла устраняется, и вся обогрева­тельная система становится дешевле.

Типичный пример — дом Лефевра в Стоверстоне (Пенсиль­вания, США; архит. X. Р. Лефевр, 1954 г.). Двухэтажный дом,

в котором отапливается только нижний этаж (общая долезна^я площадь 116 м2). Солнечный коллектор воздушного типа с двой­ным остеклением (площадь поверхности 41,8 м2) устанавлива­ется вертикально на втором этаже с южной стороны. Никаких специальных аккумуляторов, они устроены в стенах. Жилые по­мещения обогреваются циркуляцией теплового воздуха. Около 40—50% всех потребностей в обогреве дома осуществляется за счет солнечной энергии. Запасное отопление газовое.

5.2.6. Система Моргана. Эта первая европейская система бы­ла построена в 1961 г. около Ливерпуля в Англии. Здание обо­гревается только солнечной энергией и некоторыми незначи­тельными источниками (человеческое тепло, лампы). Там нет солнечных коллекторов в обычном смысле этого слова и нет ак­кумуляторов, так как тепло накапливается в стенах и потолке здания (см. рис. 63).

Типичный пример — школа святого Георгия в Валласей (Ливерпуль, Англия; архит. А. Е. Морган, 1961 г.). Двухэтаж­ное здание школы, рассчитанной на 320 учеников, имеет 67 м в длину. Южная сторона на 90% состоит из стекла, за которым помещается окрашенная в черный цвет бетонная стена. Бетон­ный потолок и кирпичные стены сделаны такого размера, чтобы они могли поглотить как можно больше тепла, сохранить его, а затем отдать. Там нет запасного обогрева, а потребность в дополнительном отоплении осуществляется за счет человеческо­го тепла, электрического света. Энергетическая автономия зда­ния 7 дней. Измерения, проделанные Ливерпульским универси­тетом (М. Г. Давиес) показывают, что такая обогревательная система действует удовлетворительно (см. также гл. 9, § 9.2).

5.2.7.Система Тромба—Мишеля. Эта французская система солнечных домов (патент CRNS Тромба, 1956 г.) основана на принципе накопления солнечной энергии только в массе здания (см. рис. 65) и напоминает систему Лефевра. Солнечная радиа­ция поглощается вертикальными, обращенными на юг поверх­ностями с тройным остеклением, которые устанавливаются на черной бетонной стене (30 — 40 см). Поверхность стекла зани­мает 10% всей поверхности здания. Теплый воздух поступает через маленькие отверстия в жилое помещение и распределя­ется посредством естественной конвекции. Первый эксперимен­тальный дом, в котором использован этот метод, был построен в Пиренеях в 1962 г.

Типичный пример — «Солнечное шале» в Одейло (архитекто­ры Ф. Тромб и Дж. Мишель, 1968 г.) (рис. 29). Шале имеет жи­лую^ площадь 80 м2 (в одном уровне). Вся южная сторона (кроме двойной двери) покрыта солнечными коллекторами. Так как климатические условия в Одейло очень благоприятны (2750 сол­нечных часов, 360 теплых дней в году) 0,5 м2 поверхности коллек­тора достаточно для каждых 10 м3 здания (в Париже 1 м2 на 10 м3, Шовенси-лё-Шато 1,3 м2на 10 м3). Потребности дома в теп-

ле исчисляются 32 тыс. кВт-ч в год, 65% удовлетворяются за счет солнечной энергии. Запасное отопление электрическое. Энергети­ческая автономия здания рассчитана на два дня.

5.2.8. Sky-therm-система (Хэй-Джеллот). В этой системе, ос­нованной на принципе попеременного нагревания и испарения и примененной впервые в 1967 г., нет солнечных коллекторов и аккумуляторов тепла в обычном смысле этого слова. Поглоще­ние и аккумулирование солнечной энергии осуществляется лот­ком с водой глубиной 21 см, установленным на плоской кровле. Лоток сделан из черных полиэтиленовых секций, которые по­крываются тяжелыми полиуретановыми пластинами толщиной 4,5 см. Зимней ночью лоток накрыт и дом обогревается через по­толок. Летом лоток оставляют открытым ночыр и накрывают днем, осуществляя таким образом кондиционирование воздуха в помещении (см. рис. 34).

Типичный пример — дом в Финиксе (США, 1967 г.). Экспери­ментальный дом с одной комнатой, одноэтажный. Жилая пло­щадь 11 м2. Площадь водного лотка 15,8 м2. Здание испытыва­лось два года и результаты оказались удовлетворительными. Дом," больший по величине, оборудованный такой системой, стро­ится в Атаседеро, в Калифорнии (США).

5.2.9. Система Байера. Основное в этой системе — размещение в южной стене дома 90 баков, каждый вместимостью 200 л (все­го 18 тыс. л воды). Когда светит солнце, окрашенные в черный цвет внешние поверхности открыты, и солнечная радиация, по-

падая на них через стеклянную пластину, нагревает воду (см. рис. 41). Ночью или в плохую погоду эти поверхности закрыва­ются с внешней стороны движущимися покрытиями (щиты из тяжелого утеплителя) и отдают жилому помещению тепло, по­лученное в течение дня.

Типичный пример — дом Байера в Нью-Мексико (США, 1972 г.). Жилая площадь 185 м2 (один этаж), полезная площадь коллектора — 24,1 м2. На 90% дом обогревается за счет солнеч­ной энергии, остальные 10% восполняются двумя каминами на древесном топливе. Летом «водяные стены» охлаждаются ноч­ным воздухом и в течение дня используются для воздушного кон­диционирования. Движущаяся внешняя плита имеет 35 см в тол­щину, весит всего 6,75 кг/м2 и играет важную роль в качестве утеплителя. Запасное отопление (два камина) используется не более 10 раз в год.

5.2.10 Система Бриджерса— Пакстона. Эта система, разрабо­танная в 1956 г., была одной из первых, где распределение тепла было достигнуто обогреванием пола. Тепло принимается водяны­ми коллекторами. Теплонакопигель и теплоноситель — вода. Эта система используется сегодня почти исключительно европей­скими изготовителями.

Типичный пример — конторское здание Бриджерса—Пакстона в Альбюкере (Нью-Мексико, США). Отопление здания и конди-

ционирование осуществляются за счет солнечной энергии. Полез­ная площадь составляет около 410 м2. Солнечные коллекторы, ис­пользующие воду, делаются из алюминия и имеют площадь поглощающей поверхности 71 м2. Аккумулятор тепла вмещает 23 тыс. л воды. Теплоотдача осуществляется с помощью напол­ненных водой труб, которые проходят по потолку и полу. Уста­новка снабжена также тепловыми насосами. Эта система удов­летворительно функционирует с 1956 г.

5.2.11. Система Вагнера, или пассивное использование сол­нечной энергии. В зданиях, оборудованных системой такого рода, солнечная радиация непосредственно конвертируется в обогрева­ние воздуха. Там нет солнечных коллекторов, но дом частично или полностью имеет покрытие из прозрачного стекла. Воздух между стеной дома и наружным стеклом нагревается вследствие парникового эффекта. Само здание обычно служит частью акку­мулятора.

Типичный пример■— «Растущий дом» (архит. М. Вагнер). Это здание, спроектированное в 1931 г., имеет площадь около 94 м2. Гостиная находится в центре здания, а другие комнаты располо­жены вокруг нее. Дом окружен стеклянным покрытием на рас­стоянии 1,5 м от конструкций. Эта воздушная подушка позволяет

достичь парникового эффекта. Эта идея также используется в автоном­ном «солнечном доме», который ис­следуется в Кембридже. О нем уже говорилось выше.

5.2.12.

Другие системы. Кроме описанных выше существует много других систем. Во многих патент­ных бюро во всем мире зарегистри­рованы тысячи наименований. Со­временная солнечная обогреватель­ная система часто бывает снабжена тепловым насосом и иногда солнеч­ными элементами, которые еще уве­личивают число возможных комбинаций. Во многих случаях принципы и основные элементы остаются такими же, как и в си­стемах, о которых говорилось выше.

Возможность использования солнечной энергии с целью отоп­ления очень оптимистично оценивается в некоторых странах. По прогнозам Г. Гейяна, французского инженера-электрика, Фран­ция сможет сэкономить около 5 тыс. кВт-ч электроэнергии на каждый дом в 2000 г., если будет построен миллион «солнеч­ных домов». Это даст ежегодную экономию примерно 5 млрд. кВт-ч, а учитывая горячее водоснабжение и отопление,— 7 млрд. (109) кВт-ч (7 тыс. кВт-ч на 1 дом). Это означает 0,7% всех потребностей Франции в электроэнергии в 2000 г. Фактиче­ские возможности еще более значительны. Р. Шерри и М. Морс, авторы книги «Солнечная панель», предполагают, что 35% обо­грева и воздушного кондиционирования зданий в США к 2035 г. будет производиться за счет солнечной энергии. К Ш85 г. 2 млн.

баррелей нефти может быть сэкономлено ежедневно за счет сол­нечного обогревания.

Эксперименты в Туркмении (СССР) показали, что дополни­тельная стоимость зданий, оборудованных такими системами (отопление, 300 л горячей воды на’семью в день и кондициониро­вание летом), составит не более 4—6% всей стоимости здания. Это может окупиться в сравнительно короткий срок за счет эко­номии электроэнергии и нефти.

К сожалению, очень важные вопросы пропорций между стои­мостью зданий и солнечной энергии еще не обсуждались в дета­лях. Основная проблема состоит в том, что для каждого здания и разных климатических условий существуют свои оптимальные цифры. Ученые и инженеры до сих пор не пришли к единому мне­нию по поводу оптимальных методов использования солнечной энергии.

Институт Батей в Женеве (Ж. К. Курвуазье и Ж — Фурнье) опубликовал интересные расчеты для района Женевского озера, касающиеся использования солнечной энергии для обогрева. В Женеве, Лозанне и Невшателе ежегодные потребности в неф­ти для отопления жилища исчисляются в 3043 л (в Лейсане — 5650 л). Расчеты показывают, что даже при средней интенсив­ности излучения (число солнечных часов в год в Женеве— 1979, в Лозанне—1971, Невшателе— 1699, Лейсане— 1808) возмож­на довольно большая экономия нефти.

Для дома с жилой площадью 120 м2 и поверхностью коллек­тора 50 м2 (эффективность 70%) 48% ежегодно потребляемой нефти может быть сэкономлено в Женеве (1463 л), 52% в Ло­занне (1583 л), 41% в Нёвшателе (1245 л), 47% в Лейсане (2650 л). Таким образом, использование солнечной энергии для обогрева домов в Швейцарии приведет к значительной экономии нефти, будут сэкономлены большие средства, а кроме того, мень­ше будет загрязняться окружающая среда.

Когда солнечные лучи падают на какую-нибудь поверхность, ее температура повышается по сравнению с окружающим воз­духом. Это повышение температуры есть результат накопления тепла на этой поверхности благодаря поглощению энергии сол­нечной радиации. Если под нагревающейся поверхностью мы устроим емкость, в которой будет циркулировать вода, то вода будет нагреваться.

Время повышения температуры до нужного уровня зависит от того количества калорий, которое вода получит от солнца, а также от устройства поглощающих элементов (солнечные кол­лекторы) и аккумуляторов (цистерна, бак).

Д-р С. Г. Абботт, пионер в исследовании солнечной энергии, в своей книге «Как использовать тепло Солнца» описывает примитивный, но тем не менее удобный генератор теплой воды так: «Я купил 6 м длинного черного садового шланга, обмотал

4.5 м вокруг деревянной рамы и поднял эту конструкцию по лестнице на южную сторону крыши моего дома. Остальные

1.5 м я привязал к крану во дворе и к крану в ванной. Благода­ря этому простому устройству в солнечный день мы имели 22 л очень теплой воды каждые полчаса».

Конечно, установки, коммерчески выгодные, сегодня не так просты. Однако они устроены по тому же принципу, хотя и име­ют гораздо большую эффективность.

Современный солнечный генератор теплой воды состоит из двух основных частей: солнечного коллектора и резервуара с теплой водой. Поверхность коллектора может нагреть воду от 50° С до 80° С. В вакуумных коллекторах с идеальными поверх­ностями температура достигает 300—350° С. Использование па­раболических радиационных концентраторов позволяет достиг­нуть еще более высокой температуры. Различные типы солнеч­ных коллекторов анализируются в гл. 6.

Нагретая солнцем вода из коллектора (55—56° С) поступа­ет в теплообменник солнечного бака (цистерны), в котором на­гревается нужное для употребления количество воды (150— 500 л). Это нагревание может быть различным в зависимости от продолжительности и интенсивности солнечного света. Цир­куляция нагретой воды может происходить по термосифонному принципу (рис. 20) или с помощью насоса (рис. 21), который контролируется термостатом, установленным в самом верхнем коллекторе.

Баки (цистерны) могут быть сделаны из металла или пла­стика и должны иметь термическую изоляцию. Для промышлен — 44

ных нужд, когда требуется много воды, используют баки массо­вого производства вместимостью несколько тысяч литров. Такие баки пригодны для больниц, казарм, бань, кемпингов, отелей, школ-интернатов и т. д.

Коллекторы могут быть объединены в серии, и дневная нор­ма нагретой солнцем воды, таким образом, будет увеличена.

В Северной Африке и на Среднем Востоке существуют установ­ки, которые дают в день 50—100 тыс. л горячей воды.

Большие установки такого рода существуют и в Европе. На­пример, французская фирма «Софэ» построила высокопродук­тивную установку при гостинице на 35 номеров и кемпинге. В Берне, в Швейцарии, действует установка, которая производит 9 тыс. л горячей воды с помощью 40 м2 поверхности коллектора.

В некоторых японских установках солнечные коллекторы и баки-аккумуляторы составляют единую систему. Чтобы обес­печить естественную термосифонную циркуляцию, баки должны быть по меньшей мере на 600 мм выше, чем самый верхний кол­лектор; если это невозможно, нужно использовать циркуляци­онный насос. Связь с домом осуществляется посредством тон­ких усиленных медных трубок диаметром 30 мм, применение ко­торых позволяет избежать теплопотери. Для пасмурных дней предусмотрен электронагревательный элемент мощностью 0,5—■

2 кВт-ч, регулируемый термостатом. Баки и система труб рабо­тают под давлением приблизительно 6 атм., а контрольное дав­ление во многих случаях равно 10—12 атм.

Баки с теплой водой устанавливаются на крыше или в под­вале. Французская фирма «Эксенерсоль» разработала систему, в которой накопительные баки проектируются как кухонная ме­бель и расставляются на кухне так же, как плита или холодиль­ник (рис. 22).

Французская фирма «Софэ», о которой уже упоминалось, серийно выпускает бойлеры на двойном источнике питания: сол­нечно-электрические, солнечно-газовые или солнечно-нефтяные, использующиеся во Франции и Испании. Для разных климати­ческих зон и географического положения существует оптималь­ное отношение между поверхностью коллектора и объемом ба — >

ка. Как среднюю величину «Софэ» предлагает 35 л/м2-ч.

Путем объединения солнечного бойлера с уже существую­щим нефтяным, газовым или электрическим можно сократить затраты энергии за счет предварительного нагрева холодной 4

воды посредством радиации даже в пасмурную погоду. Когда нужное количество воды нагревается солнцем, традиционное отопление автоматически отключается. Из-за постоянно увели­чивающейся потребности в горячей воде использование солнеч­ного нагрева становится все более важным средством экономии топлива и денежных средств. В 1940 г. в день на человека при — холилось 25—30 л горячей воды; в 1960 г.— 40—60 л, а в 1980 г. эта цифра возрастет до 70—90 л в день. Эта цифра уже превы-

шена в США. С помощью солнечной энергии можно удовлетво­рить значительную часть потребностей в горячей воде и в ре­зультате сохранить другие виды энергии.

В солнечных районах можно в течение 9 мес в году полу­чать горячую воду с температурой по меньшей мере 50° С с по­мощью коллекторов с обычной поверхностью. Даже около Лон­дона можно каждый день в течение пяти летних месяцев полу­чать 50 л горячей воды с температурой 55° С сім2 поверхности коллектора.

Потребность в горячей воде зависит от размера дома, коли­чества людей, проживающих в нем, от уровня жизни, рода за­нятий, возраста, времени года и других условий. Требуемая температура колеблется между 30 и 90° С, но если возможно, не следует превышать 60° С, чтобы избежать коррозии и накипи.

Температура воды в водоразборном кране обычно составля­ет 35—40°С — в ванной; 55—60°С — на кухне и 90—95°С-—для стирки (фактически температура используемой воды равна при­мерно 45° С).

Для наполнения ванны требуется около 150 л воды при 40°С, это означает затрату 4500 ккал и требует расхода приблизитель­но 0,75 л нефти. Сегодня в Швейцарии ежедневно на человека в среднем расходуется 60 л горячей воды (3 тыс-, ккал, 0,5 л

нефти). Это составляет ежегодно 2200 л на человека (1,1 млн. ккал, или около 200 л нефти).

Многие сооруженные в Швейцарии установки для солнеч­ного горячего водоснабжения доказали, что даже при средних климатических условиях (например, Цюрих — 47°30′ с. ш., ин­тенсивность солнечного излучения 1160 кВт-ч-м2 в год; продол­жительность— 1693 ч в год) много горячей воды можно полу­чить посредством использования солнечной энергии. Солнеч­ный коллектор, который превращает примерно 70% солнечного излучения в тепло, нагревающее воду, может в Центральной Швейцарии производить в год в среднем более 7 тыс. л горячей воды ^ = 50° С. В Альпах или в Тессине производительность повы­шается до 10 тыс. л/’м2 в год.

Шэрер из Гренхена (Швейцария) спроектировал солнечную установку для горячего водоснабжения с поверхностью коллек­тора 10,5 м2 и таким образом сэкономил около 1187 л нефти в течение летних месяцев (апрель — сентябрь). В это время даже обычные комбинированные обогревательные системы работают с малой производительностью: 10—20% вместо 60—80%. В сол­нечные дни нефтяные нагреватели полностью отключались, и среднедневной расход нефти в год сократился с 16,73 до 10,24 л, таким образом, в день экономилось около 6,5 л нефти.

В июле и августе в Цюрихе можно получить максимальное количество горячей воды, около 42 л/м2 в день, минимальное — в декабре —около 4 л/м2 в день, в конце февраля — около 20 л/м2 в день, то же в середине октября. Интенсивность сол­нечного излучения также достигает своего максимума и мини­мума в эти месяцы (в августе — около 4,4 кВт/м2 в день; в де­кабре— около 0,8 кВт/м2 в день). Эти цифры предполагают среднюю производительность коллектора для Цюриха 45%. При температуре поступающей воды +10° С это позволяет по­лучить горячую воду с ^ = 50° С. Для центральной Англии (52“ с. ш.) больше всего горячей воды производится в июне и ию­ле— около 45 л/м2 в день, меньше всего в декабре — около 2 л/м2 в день. Если мы суммируем эти цифры по всей стране, например по Швейцарии, мы увидим, как много импортируемой нефти можно сэкономить, получая горячую воду с помощью солнечной энергии.

В Швейцарии ежедневная потребность в теплой воде на од­ного человека, составляющая 40 л при ^ = 60°С, может легко быть получена летом с 1 м2 поверхности коллектора. Если каж­дый домовладелец имел бы 1—2 м2 коллекторов на крыше (все­го 6 млн. м2), Швейцария могла бы, согласно расчетам Швей­царской ассоциации по солнечной энергии (SSES), сэкономить около 1 млн. т нефти в год. Это составит 10% импорта нефти, или 7з всех потребностей в электричестве.

Согласно расчетам, проведенным во Франции, обычный дом площадью примерно 100 м2 будет потреблять в 2000 г. около

4 тыс. кВт-ч энергии в год (12,5 кВт-ч в день), из них в сред­нем 2 тыс. кВт-ч в год может производиться за счет солнца. Строительство 1 млн. водяных солнечных нагревательных уста­новок сэкономят стране около 2 млрд. кВт-ч энергии ежегодно.

Такие же расчеты (И. Ф. Р. Дикинсом, «Е. М. А. Лимитед»), проведенные в Великобритании, показали, что дом на четырех человек потребляет 150 л горячей воды (£ = 60° С) в день, что со­ставляет 9 кВт-ч в день, т. е. 3300 кВт-ч в год. В юго-восточ­ной Англии можно получить 1000 кВт-ч/м2 солнечной энергии в год. При средней производительности 30% коллектор площа­дью 8 м2 удовлетворят 2/з всех потребностей в горячей воде в частном доме. Это составит 2000 кВт-ч в год, и, таким образом, как и во Франции, 1 млн. таких установок обеспечит общую ежегодную экономию в 2 млрд. кВт-ч.

На втором симпозиуме Швейцарской ассоциации по солнеч­ной энергии в Лозаннском университете (июнь 1975 г.) были приведены некоторые цифры, демонстрирующие экономию неф­ти путем использования солнечной энергии. Например, для оте­ля в Перпиньяне (примерно на 35 номеров) цифры, определяю­щие эту экономию в течение семи лет, следующие: с мая по ав­густ— 200 л нефти на м2; с ноября по февраль — 50 л нефти на м2; с сентября по октябрь и с марта по апрель — 70 л нефти на м2.

Это означает ежегодную экономию нефти 320 л на м2 по­верхности коллектора. В Перпиньяне 2500 солнечных часов в году, 150 теплых дней (см. прил. 1).

Неудивительно, что в 1951 г. 50 тыс. водяных солнечно-нагре­вательных установок уже существовало во Флориде. Экономия электроэнергии исчислялась 150 тыс. кВт-ч каждый день.

Низкие цены на нефть и электричество в 60-е годы сделали эти установки сравнительно менее экономичными, но сегодня несколько миллионов солнечных обогревателей построено во всем мире, 3,5 млн. — только в Японии. Европейские фирмы также проявляют большой интерес к этой новой технологии, так что можно надеяться, что такие установки получат еще бо­лее широкое распространение.

Проекты «солнечных домов» делаются и в других странах, например, в Швеции (солнечный дом в Университетском город­ке в Лунде, архит. С. X. Ульсен), в Голландии («солнечный дом» в Оссе, архитекторы Элеманс и Ван Коппен), в Дании (дом на солнечной энергии, архитекторы Корсгаард, Харбоэ, Черуле — Йенсен), в Италии (шведский «солнечный дом» на Капри, ар­хитекторы Т. Плейель и Б. Линдструм) и проект Солнечного го­рода (архит. Г. Франсиа).

В Греции, Турции, Израиле, на Кипре, в Ираке, Индии, Ма­рокко, Испании, Португалии, Чили, Иране, Мексике, Венесуэле и Аргентине используются солнечные установки для нагрева­ния воды. Во многих странах эти установки приобрели такое же значение, как и другие изделия строительной промышлен­ности.

Все уголки земли получают солнечную энергию. Количество этой энергии, получаемой ежедневно, зависит от географическо­го положения и климатических условий, но ее практическое ис­пользование возможно повсюду. Естественно, на Красном море, где число солнечных часов в год доходит до 4000, легче и дешев­ле извлечь из солнца пользу, чем, скажем, в Скандинавии, где солнце светит только 1200 ч в год при довольно низкой интен­сивности.

Среди видов использования солнечной энергии для бытовых целей наиболее важны следующие: горячее водоснабжение, ото­пление помещений, охлаждение помещений и воздушное конди­ционирование, подогрев плавательных бассейнов.

В июне 1974 г. в Берне была образована Швейцарская ассо­циация по солнечной энергии (SSES). В нее вошло более тыся­чи представителей промышленных и научных кругов и частного сектора. Рене Шэрер из Гренхена, Брунто Шнейдер из Клотена и Дж. Винклер из Берна разработали и внедрили водяные и воз­душные солнечные обогревательные системы. В 1975 г. ассоциа­ция предложила местным и государственным органам управле­ния национальный план экономии нефти. Он предполагает снаб­дить все дома в Швейцарии солнечными коллекторами (1,2 м2 для каждого домовладельца), что сохранит около 1 млн. т неф­ти в год. Первое швейцарское административное здание на сол­нечном обогреве — это «Микафил-Проект» П. Р. Сабади (см. 9.11). Несколько проектов солнечных домов находится в процессе разработки: «Дельта Штадт» (город Дельта), проек­тируемый около Берна (Г. Вирт, архитектор ETH/SIA, и доктор Т. П. Вудман ЕТН), «Пленэр-Проект» (группа «Пленэр») и др.

В 1975 г. министр исследований и технологии ФРГ заявил прессе в Бонне: «Экономическое использование солнечной энер­гии с целью обогревания возможно в Западной Германии при возмещении первоначальных расходов. За короткий период вполне возможно получить большое количество горячей воды, накопленной летом с помощью солнечной энергии. В настоящее время летом теплую воду часто получают с помощью нефтяных обогревательных установок с очень низкой производитель­ностью. Через некоторое время также будет возможно исполь­зование солнечной энергии для обогревания воздуха». В связи с этим было опубликовано два безусловно удачных проекта: экспериментальный дом Исследовательской лаборатории «Фи­липс» в Аахене и плавательный бассейн в Вайле, работающие на солнечной энергии (Обергишер Крейс).

Солнечный дом в Аахене построен исследовательской лабо­раторией «Филипс» и электрозаводом «Рейн Вестфалия» при финансовой помощи государства. Теплоизоляция в этом доме в пять раз лучше, чем в традиционных домах, и должна обеспе­чить все потребности в отоплении с помощью 20 м2 солнечных коллекторов. Дом служит примером для архитекторов и специ — алистов-тенлотехников и должен способствовать распростране­нию новой солнечной техники.

Компьютеры моделируют жизнь семьи в доме в течение поч­ти двух лет, перед тем как дом будет сдан в эксплуатацию.

Обогреваемый солнцем плавательный бассейн в Вайле был построен фирмой Браун Бовери, Маннгейм (рис. 18 и 19). 1500 м2 коллекторов нагревают воду. Браун Бовери в 1974 г. разработал параметры солнечных тепловых коллекторов, кото­рые позволяют, несмотря на плохие погодные условия, с мая по сентябрь получить в день около 2,5 кВт-ч/м2 энергии.

Коллекторы состоят из отдельных секций, которые вполне могут изготовляться в мастерских. Исходя из результатов этого опыта, были намечены планы выпуска и установки таких кол­лекторов в больших количествах. Таким образом, с одной сто­роны, коллекторы должны подвергаться длительной проверке, с другой — возможность использования солнечной энергии бу­дет широко рекламироваться. В дальнейшем образцы оборудо­вания будут испытываться и проверяться по предпроизводствен­ной программе.

Использование солнечной энергии особенно пригодно для дополнительного нагрева открытых плавательных бассейнов, так как необходимая температура воды (около 26° С, в холод­ные дни до 28° С) ниже температуры воды, используемой для бытовых целей.

Согласно заявлениям прессы, в 1975 г, в Западной Германии было намечено осуществить ряд важных проектов с использо­ванием солнечной энергии. Один из них (предложенный «Schleswig Holsteiner Landgesellschaft шЬН» в Киле)—завод по переработке солнечной энергии в виде демонстрационной установки в городе-саде. Солнечная энергия должна использо — ! ваться для отопления торговых рядов и для создания в оранже­рее условий, предусмотренных проектом.

Кроме того, предложены следующие проекты:

обогревание воды с помощью солнечной энергии (ВВС и RWE);

специальные солнцепоглощающие поверхности для получе­ния тепла (дальнейшее усовершенствование поглотителей для опреснительных заводов — Дорнье);

модульный «солнечный дом» с обогреванием и системой кон­диционирования (Мессершмитт, Бёлков, Блохм);

развитие стойких к высоким температурам солнцепоглоща­ющих поверхностей (Дорнье); ‘ ■­

исследование неископаемых и неядерных энергетических ис­точников для обеспечения энергией в будущем (AGF);

исследование длительного аккумулирования энергии (МВБ); экспериментальные исследования по совершенствованию гене­раторов на солнечных батареях (AEF), использующих земной магнетизм.

Солнечная научно-исследовательская лаборатория работает в Штутгарте под руководством д-ра Вернера Блосса. Исследо­вательский институт Николаса Лаинга в Альдингене около Штутгарта работает над проектами «солнечных домов», в том числе над проектом энергетического каскада. Этот институт на­мерен сделать доступной солнечную энергию для осуществле­ния горячего водоснабжения в Испании, Северной Африке, Се­верной Италии, Центральной Европе.

В 1975 г. в ФРГ было объявлено о подписании многосторон­него соглашения о сотрудничестве в области исследования сол­нечной энергии под председательством США.

Сегодня в Западной Германии функционирует уже несколь­ко сотен домов, в которых действует солнечная обогревательная система.

Рис. 18. Плавательный бассейн, с солнечным подогревом воды в Вайле, ФРГ 4Q

После США и Японии Советский Союз — третья страна й мире, где использование солнечной энергий достигло большого прогресса. Первая значительная солнечная установка была по­строена в 1930-х годах.

В США главная область для использования солнечной энер­гии— обогревание плавательных бассейнов, в Японии — уста­новки для нагревания воды; Советский Союз, где приблизитель­но 1 млн. км2 — неосвоенные территории, особенно заинтересо­ван в широком использовании солнечных насосов и опресни­тельных установок. В СССР много районов, где продолжитель­ность солнечного периода достигает значительной величины (около 3000 ч в год в Средней Азии) и использование различ­ных солнечных установок экономически особенно выгодно. Со­ответствующие научно-исследовательские учреждения распро­странены по всей стране, координация работ осуществляется Институтом солнечной энергии им. Кржижановского в Москве.

Несколько больших проектов осуществляется й в Настоящее время. Так, солнечная печь в Ереване, где каждый 10-метровый в диаметре параболический коллектор производит 50 кВт элек­троэнергии, сможет обеспечить работу различных видов солнеч­ного оборудования (установка для нагревания воды и приго­товления пищи, рефрежираторы, опреснительные кубы и т. д.) для бытовых целей. Производство подобного оборудования уже налажено, и оно выпускается в довольно больших количествах (25 тыс. наименований в 1974 г.).

По сведениям, полученным из ЮНЕСКО, советские ученые уверены в том, что XXI в. будет веком солнечной энергии.