Хотя создание надежной теплоизоляции чердака и уменьшение сквозняков через щели окон и дверей не столь интересно и увлекательно, как сооружение систе­мы солнечного отопления или горячего водоснабжения, эти простые мероприятия на сегодняшний день намно­го эффективнее с экономической точки зрения. Анализ, проведенный в 1974 г. в Великобритании [28], дал сле­дующие значения капитальных затрат и экономии топ­лива за пятилетний период:

Расчетная стоимость Затраты, с эконом ленногр за

фунт. ст. 5 лет топлива,

Эти цифры следует сопоставить с технико-экономи­ческими показателями системы солнечного нагрева с площадью коллектора 6 м2 (в ценах 1976 г.):

Стоимость уста новки, фунт, ст

Установка собственного изготов­ления (без учета трудозатрат) 180

Серийно выпускаемая установка Около 500

[1] Степень концентрации или концентрация солнечного излучени: есть отношение плотности лучистого потока на поверхности прием ника к плотности потока прямой солнечной радиации. (Прим. редjj 46

[2]

[3] Управление по исследованиям и разработкам в области энер­гетики США. Существовало по 1978 г., затем его функции были переданы созданному Министерству энергетики США. (Прим, ред.)

[4] Обычно под «коэффициентом замещения» понимают долю на­грузки, обеспечиваемую за счет солнечной энергии. (Прим. ред.)

[5] Несмотря на некоторые успехи в разработке подобных си­стем, вряд ли можно разделять этот оптимизм. {Прим, ред.)

[6] Строго говоря, термоэлектрические устройства, о которых идет речь, не являются устройствами прямого преобразования солнечной энергии в электрическую в отличие от фотоэлементов, так как в тер­моэлектрических генераторах солнечное излучение преобразуется вначале в тепло, а затем уже в электроэнергию. Заметим также, что обзор, выполненный Телкес в 1953 г., устарел. Современные солнеч­ные термоэлектрические генераторы на основе полупроводниковых термоэлементов могут иметь КПД 5—8%. (Прим, ред.)

[7] В 1980 г. фотоэлектростанция мощностью 1 МВт не была со — °Ружена, сомнительно также, чтобы мощность 10 МВт была достиг­нута к 1986 г. (Прим, ред.)

[8] К 1980 г. стоимость кремниевых фотоэлементов, выпу* скаемых некоторыми фирмами США, составляла 6—8 долл, за ! Вт пиковой мощности. (Прим, ред.)

142

— В Великобритании до сих пор отсутствуют стандар­ты на системы солнечного нагрева и опубликовано мно­го утверждений, которые вводят в заблуждение. Напри­мер: «солнечное тепло может бесплатно удовлетворить 186

j почти всю вашу потребность в горячей воде, расходуе­мой в быту» и «солнечные панели нагреют всю воду, потребляемую средней семьей в летние месяцы, и 80% воды зимой». Такие утверждения не обязательно оши­бочны. Они могли бы стать правомерными только в том случае, если бы люди сумели коренным образом изме­нить свой образ жизни, ре­шились бы накапливать грязные тарелки, чашки,

; блюдца, одежду и т. п. вте — 1 чение многих недель зимой,

) дожидаясь нескольких сол­нечных дней. Но даже в летние месяцы облачная погода часто держится по j нескольку дней подряд и в эти дни приход солнечной радиации, а следовательно, и теплопроизводигельность водонагревательной уста­новки будут крайне незна — ; чительны. Некоторые изго­товители действительно пу­бликуют полезные результа­ты собственных испытаний, по которым можно постро­ить типичные графики КПД коллекторов с одинарным і и двойным остеклением.

Штрихпунктирная линия на рис. 8.15 соответствует ре-

j зультатам расчетов по данным, приведенным в недавно изданном проспекте английской фирмы «Сеньор Плэйт — коил». В нем сообщается, что Льюисовский центр і NASA в Кливленде недавно завершил испытания сол­нечного коллектора. Испытания проводились при сле­дующих условиях:

интенсивность подводимого теплового потока — 945,9 Вт/м2;

скорость ветра—3,13 м/с;

остекление — два зеленых стекла толщиной 3,2 мм с Пропускательной способностью 88%;

расход воды —48,8 л/ (м2 • ч);

температура окружающего воздуха —26,7°С.

Полученные результаты, которые приведены й табл. 8.2, считаются хорошими.

Таблица 8.2

Можно ли согласиться с утверждением, что получен­ные результаты считаются хорошими? Во-первых, следу­ет рассчитать среднюю температуру пластины коллекто­ра. Расход воды, как и количество отводимого тепла, известны, а среднее повышение температуры в коллек­торе AtK равняется количеству отводимого тепла, делен­ному на расход боды. Средняя разность температур пластины коллектора и окружающего воздуха Л£01ф рав­на (Гвх —26,7)+А/к/2. На последнем этапе расчетов нужно разделить среднюю разность температур А^0кр на плотность потока суммарной радиации (Ь= = 945,9 Вт/м2), падающей на коллектор. Результаты приведены в табл. 8.3. Точки, соединенные штрихпун-

ктирной линией на рис. 8.15, весьма близки к характе­ристике коллектора фирмы «Ханиуэлл» с двойным ос­теклением и лежат выше характеристики одного из пер­вых коллекторов Хейвуда, так что утверждение изгото­вителей, что получены хорошие результаты, вполне оп — 188

равданно. Однако подобные испытания провбдиЛйсь из­готовителями лишь для очень немногих коллекторов. Утверждения некоторых изготовителей, что в условиях Великобритании годовая экономия энергии в индивиду­альных системах горячего водоснабжения близка к 1000 кВт-ч на 1 м2 площади коллектора, никогда не подтверждались на практике.

Системы солнечного нагрева должны удовлетворять правилам строительного и архитектурного надзора. На­пример, если солнечный коллектор устанавливается на крыше или стене дома, он должен быть закреплен так, чтобы его не сорвало сильным ветром. Возможно также, что некоторые органы архитектурного надзора станут возражать против монтажа солнечных коллекторов, ес: ли они существенно меняют внешний облик здания. Это в первую очередь относится к старым зданиям, пред­ставляющим исторический интерес. Многим может не понравиться довольно унылый вид солнечных нагрева­телей плавательных бассейнов и может оказаться необ­ходимым размещение нагревателей за живыми изгоро­дями или заборами, т. е. отнюдь не в идеальных усло­виях.

Термосифонная система. Основные элементы обычной системы горячего водоснабжения дома показаны на рис. 8.9. Простейшей системой с солнечными коллекто­рами является одноконтурная термосифонная система, показанная на рис. 8.10, с отдельным баком-аккумуля­тором горячей воды, нагретой в солнечной установке. При нагреве воды в коллекторе она поднимается вверх и поступает в верхнюю часть бака-аккумулятора, а бо­лее холодная вода из нижних слоев поступает в циж* 180

нюю часть коллекторов. Поскольку течение обусловле­но разностью плотностей горячей и холодной воды, должна существовать некоторая разность высот Н меж­ду днищем бака-аккумулятора и верхним краем коллек­тора. При разности этих высот по меньшей мере 600 мм возникновение обратного потока в ночное время мало­вероятно, однако в трубопровод холодной воды может быть встроен и обратный клапан. Чиннери [25] указал, что снижение Я ниже 600 мм приводит к уменьшению общей эффективности работы системы, как показано ниже:

Рис. 8.9. Обычная система го- рячего водоснабжения дома.

в солнечных коллекторах, смешивалась бы вечером с хо­лодной водой в колонке. При наличии отдельного бака — аккумулятора даже небольшое повышение температуры воды обеспечит экономию энергии, поскольку в колонку вместо холодной водопроводной воды будет подаваться подогретая вода. Как показано на рис. 8.11, термоси-

/ плоские солнечные коллекторы; 2 “ герметичный расширительный бак; 3 —
бак-аккумулятор воды, нагретой в солнечных коллекторах; 4 — бак холодной
воды; 5 — колонка горячей воды. На ехеме не показаны дренажные и воздуш-
ные вентили.

фонная система моЖет иметь промежуточный коніур. В этом случае в баке-аккумуляторе устанавливается теплообменник и вода циркулирует по замкнутому конту­ру через коллекторы и теплообменник. Контур включает герметичный расширительный бак, который предотвра­щает попадание в систему свежего кислорода, что за­медляет коррозию. Замкнутый контур может быть за­полнен раствором антифриза, но в этом случае он дол­жен быть полностью герметичен, чтобы исключить попа­дание антифриза в систему водоснабжения. Теплообмен-

ник может представлять собой простой змеевик из мед­ной трубки, и некоторые торговые фирмы рекомендуют в качестве бака-аккумулятора с теплообменником стан­дартную бытовую медную колонку небольшого размера. Однако эти колонки не рассчитаны на работу при более низких значениях разности температур и расходов, ко­торые характерны для солнечных установок. Поэтому гораздо лучше устанавливать в 200-литровом ба­ке-аккумуляторе оребренную медную трубку диаметром 28 мм и длиной около 1 м. В системе с промежуточным кон­туром трубопровод горячей воды от коллекторов следует

Подключить к верхнему патрубку Теплообменника. Систе­ма может работать и при подключении этого трубопровода к нижнему патрубку теплообменника, но при этом эф­фективность ее работы будет значительно меньше, по­скольку существенно снизится расход воды.

Системы с принудительной циркуляцией. Как видно из рис. 8.12, система с принудительной циркуляцией яв­ляется более сложной и управление циркуляционным насосом, в качестве которого можно использовать обыч-

ный небольшой насос системы центрального отопления, должно осуществляться с помощью дифференциально­го терморегулятора. Такие регуляторы поставляются различными изготовителями солнечных коллекторов или могут быть смонтированы из элементов электронных схем [25, 26]. Анализ работы дифференциального тер­морегулятора и проблем, связанных с его применением, был дан О’Коннелом [27], который предупреждает, что в дни со сравнительно низкой интенсивностью солнеч­ной радиации и при переменной облачности система мо­жет постоянно включаться и выключаться, в результате чего может больше энергии потеряно, чем выработано.

Задаваемая разность температур, определяющая вклю­чение и выключение насоса, также важна, как и положе­ние температурных датчиков, которые не должны быть размещены слишком высоко в баке-аккумуляторе.

Возможный способ защиты системы от поломок при замерзании воды показан на рис. 8.13. С помощью элек­тромагнитного дренажного вентиля из коллекторов мо­жет быть слита вся вода. Эта система сложнее других и при ее реализации необходимо обратить внимание на

высоту и расположение различных элементов, чтобы из­бежать опорожнения бака холодной воды при открыва­нии дренажного вентиля.

На рис. 8.14 показана система, в которой отсутству­ет отдельный бак-аккумулятор воды, нагретой в солнеч­ных коллекторах. В бытовую колонку, которая служит одновременно аккумулятором солнечного тепла, встрое­ны два теплообменных змеевика, верхний из которых подключен непосредственно к обычному бойлеру. Пре­имуществом системы является то, что она занимает меньшее пространство и имеет меньшую длину трубо­проводов, но даже при идеальных условиях КПД систе — 13—1240 185

мы будет ниже, чем у системы с отдельным баком-акку­мулятором.

Определенные трудности могут быть связаны с под­соединением трубопровода холодной воды к колонке го­рячей воды. Если холодная вода поступает в вертикаль­ном направлении, она будет смешиваться с нагретой во­дой в верхней части Колонки, быстро охлаждая ее. Этого можно избежать, располагая входной патрубок так, что­бы холодная вода подавалась горизонтально или с неко­торым уклоном к днищу бака. Трубопровод холодной воды нельзя подсоединять к обратному трубопроводу одноконтурной термосифонной системы. В принципе та­кая система удовлетворительно работала бы днем, по­скольку холодная вода нагревалась бы, проходя через солнечный коллектор, но в ночное время холодная во­да также поступала бы в верхнюю часть колонки горя­чей воды, сразу смешиваясь с нагретой водой.

Измерения, проведенные Хейвудом [19], показали, что в Великобритании на широте 51°31′ ориентированная на юг поверхность, установленная под углом 40° к гори­зонту, будет в среднем получать в день 9,2 МДж/м2, или примерно 2,56 кВт-ч/м2 солнечной энергии. (Подробные данные для других углов наклона в разное время года приведены в гл. 2.) Изменение на несколько градусов наклона или ориентации коллектора оказывает очень малое влияние, и это значение может быть положено в основу оценок среднего количества полезного тепла, ко­торое может быть получено системой нагрева воды для бытовых целей. Лабораторные испытания дают значения 178

КПД коллектора, намного превышающие 60% при уме­ренной разности температур; однако с учетом большей протяженности соединительных трубопроводов в практи­ческих установках, прерывистого характера поступления солнечной радиации в течение дня и графика потребле­ния горячей воды реальными в условиях Великобрита­нии являются значения в диапазоне от 30 до 40%. Это означает, что в целом за год на 1 м2 коллектора может быть получено 280—376 кВт-ч энергии. Значение 280 кВт-ч было подтверждено серией опытов, проведен­ных с сентября 1973 г. по август 1974 г. [20], хотя эта цифра и была признана заниженной в связи с неблаго­приятными погодными условиями и плохой теплоизоля­цией бака-аккумулятора. Совершенно независимо науч­но-исследовательская строительная организация предло­жила принять значения 324 и 350 кВт-ч/м2 для устано­вок с площадью коллекторов соответственно 6 и 4 м2 [21, 22]. Имеется одна важная особенность, которую не­обходимо учитывать, принимая реальные значения обще­го КПД в диапазоне от 30 до 40% • Любое увеличение площади коллектора выше 6 м2 не приведет к пропор­циональному увеличению общего количества используе­мого тепла. Если бы такая пропорциональность имела место, то коллектор с площадью около 12 м2 обеспечи­вал бы горячей водой среднюю семью на протяжении всего года. Но это невозможно из-за очень низкого уровня солнечного излучения в зимнее время. По дан­ным Хейвуда средний дневной приход солнечной радиа­ции в период с 16 октября по 26 февраля составляет

1,5 кВт-ч/м2, а для большинства дней декабря и янва­ря эта величина в лучшем случае достигает половины указанного значения. Таким образом, чтобы попытаться удовлетворить в середине зимы среднесуточную потреб­ность в энергии (около 10 кВт-ч), необходим коллектор с площадью примерно 50 м2, но даже такая площадь бу­дет, вероятно, недостаточна, поскольку на практике име­ется еще один лимитирующий фактор. Он заключается в том, что для всех плоских коллекторов существует не­который предельный уровень солнечной радиации, ниже которого они вообще не могут работать. Поэтому лучше всего принять значение между 280 и 375 кВт-ч/м2, хотя конкретные установки в определенных районах страны могут иметь значительно более высокую теплопроизво — Дительность. Приняв цифру в 3£4 кВт-ч/м2, получим

значения годовой экономии для коллекторов площадью 4, 5 и 6 м2, приведенные в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Для практических установок затраты на материалы (в ценах 1976 г.) без учета трудозатрат не должны пре­вышать 30 фунт. ст. на 1 м2 площади коллектора; при этом период окупаемости составит около 5 лет за счет сэкономленной энергии при ее стоимости 0,02 фунт. ст. за 1 кВт-ч.

Исключением из правила, что площадь коллектора должна составлять 4—6 м2, явилась установка с пло­щадью 8 м2, получившая приз на конкурсе Ассоциации развития медной промышленности в 1975 г. [23]. Впоследствии автор этой конструкции отметил, что, по его мнению, совершенно неправильно разрабатывать си­стему заниженной мощности [24].

Для абсолютного большинства солнечных водона­гревательных установок бытового назначения емкость ак­кумулятора составляет приблизительно 50 л на каждый квадратный метр площади коллектора. Впервые это стандартное значение было предложено Хейвудом.

Рифленая панель из оцинкованной стали. Первый сол­нечный коллектор Хейвуда для бытовых целей был установлен в его доме близ Лондона в 1948 г. и со­стоял цз двух листов оцинкованной стали с рифления­ми, расположенными зеркально друг относительно дру-

U)

га и образовавшими в продольном направлении восемь каналов для воды. Листы по краям были склепаны и спаяны, а вдоль верхней и нижней кромок были уста­новлены гидравлические коллекторы квадратного попе­речного сечения, соединенные с панелью. Верхняя по­верхность панели площадью немного меньше 1 м2 была покрыта черной матовой краской; панель установлена в деревянной раме, имеющей двойное остекление и теп­лоизоляцию днища. Несмотря на то что коллектор про­работал в обычной термосифонной системе в течение ря­да лет, Хейвуд отметил, что срок его службы оказался не велик [7].

Тем не менее Брейсовский научно-исследователь­ский институт успешно разработал модифицированный вариант первого коллектора Хейвуда [14]. Новый кол­лектор был сконструирован на основе дешевых мате­риалов, которые нетрудно найти даже в сравнительно отдаленных районах мира; он состоит из двух оцинкован­ных стальных листов толщиной 0,795 мм, один из которых имеет рифления и образует поглощающую поверхность. Эти два листа соединяются при помощи заклепок и пайки; рифленая поверхность окрашивается черной краской и панель укладывается в простой ящик из оцинкованной стали на слой теплоизоляции, в качестве которой было предложено использовать кокосовое волокно. Ящик на­крывается одним листом оконного стекла толщиной 3 мм; при этом между стеклом и боковыми стенками ящика по всему периметру остается трехмиллиметро­вый зазор для компенсации теплового расширения стекла. Этот зазор уплотняется с помощью кремниевой замазки. В качестве бака-аккумулятора используется бочка из-под нефти емкостью 204,6 л. При минимальном техническом обслуживании коллектор может прослу­жить около 5 лет, но, как сообщалось, несколько кол­лекторов в Барбадосе удовлетворительно проработали более 7 лет.

Панель из труб, присоединенных к металлическому листу. Австралийская научно-техническая организация по промышленным и исследовательским работам в 1964 г. опубликовала руководство по основам проекти­рования, изготовления и монтажа солнечных водонагре­вателей [12], краткое содержание которого было из­ложено в 1967 г. в работе [15]. В этом руководстве описана конструкция поглощающей пластины, состоя — 174

щей из труб, имеющих тепловой контакт с металличе­ским листом. В качестве предпочтительного металла на­зывается медь; каркас из медных труб диаметром 28 и 15 мм припаивается к медному листу толщиной около 0,45 мм. При этом вертикальные 15-миллиметровые тру­бы припаиваются твердым припоем к 28-миллиметро­вым горизонтальным трубам, представляющим собой гидравлические коллекторы. В руководстве рекоменду­ется изготавливать корпус коллектора из оцинкован­ной стали или асбоцемента. В Великобритании в на­стоящее время рекомендуется использовать несколько более толстые медные листы толщиной приблизительно 0,56 и 0,91 мм. Типичный каркас из труб показан на рис. 8.4. Этот каркас может присоединяться к плоскому

или рифленому листу. Расстояние между осями сосед­них труб рекомендуется принимать равным примерно 150 мм.

Хотя предпочтительным материалом является медь, можно использовать и оцинкованные стальные или алю­миниевые трубы и листы. Любой способ соединения, не обеспечивающий хорошего теплового контакта, как в случае пайки медных элементов, будет менее эффекти­вен. Наихудшим вариантом является простое крепление труб к листу проволочными стяжками, расположенны­ми на большом расстоянии друг от друга. Однако кол­лектор Мэтью [16], показанный на рис. 8.5, имел хоро­шие характеристики, хотя теоретически его конструкция

считается плохой, поскольку расстояние между прово­лочными стяжками составляет около 750 мм. В этом кол­лекторе оцинкованные трубы расположены горизонталь­но, но расстояние между ними меньше рекомендованно­го значения 150 мм.

Более частая установка стяжек позволит улучшить тепловой контакт, а укладка труб в полуцилиндрических выемках плоского листа дополнительно повысит КПД, особенно если зазоры между трубами и листом (при не­возможности пайки) заполнить каким-либо связующим материалом или наполнителем.

Как показано на рис. 8.6, вместо многотрубной си­стемы можно использовать змеевик. Такие змеевики при­меняются в некоторых серийно выпус­каемых панелях, но их использование ограничивается системами с принуди­тельной циркуляцией.

Промышленные стальные панель­ные радиаторы. Для использования в качестве поглощающей пластины солнечного коллектора легко приспо­собить стандартный серийно выпус­каемый стальной панельный радиатор. Если возможно, панель следует полу­чать до ее окончательной отделки, т. е. окрашивания в глянцевитый белый цвет, поскольку поглощающая поверх­ность должна быть покрыта обычной черной матовой краской. Подобная краска на поверхности панельного радиатора, накрыто­го одним прозрачным покрытием из майлара и впервые испытанного автором в 1968 г., не разрушилась за 8-лет эксплуатации [17]. Обратная сторона панели может быть оставлена белой. Обычно радиатор имеет четыре присоединительных патрубка, расположенных по углам панели. Входной патрубок холодной воды должен быть в нижней части панели, а нагретая солнечным теплом вода должна покидать панель через диагонально рас­положенный верхний патрубок, т. е. вода должна проте­кать от нижнего левого угла панели к верхнему право­му или от нижнего правого к верхнему левому. Не сле­дует подводить воду к обоим входным патрубкам пане­ли или отбирать нагретую воду из обоих верхних выход­ных патрубков, поскольку это может привести к сниже — 176

нию общего КПД коллектора. Например, в панели, включенной в термосифонную систему и имеющей два входных и два выходных патрубка, может установиться режим внутренней циркуляции потока. Окрашенный ра­диатор с присоединенными патрубками нужно устано — ! вить в корпусе, причем оребрение радиатора должно располагаться обычным образом, т. е. вертикально по отношению к горизонтальному гидравлическому коллек­тору, как показано на рис. 8.7. Панель будет работать и при повороте ее на 90°, но КПД при этом сильно умень­шится.

Простой лотковый коллектор-аккумулятор. Эффектив­но работающий коллектор можно изготовить из водоне — | проницаемого ящика с покатым днищем, как показа — I но на рис. 8.8. Это устройство является одновременно солнечным коллектором и баком-аккумулятором. Его ис­пользование особенно целесообразно в тех местах, где осуществляется снабжение только холодной водой. Этот коллектор не годится при низком уровне радиации или температурах окружающей среды, при которых возмож­но замерзание. При открывании регулирующего вентиля I поступающая холодная вода вытесняет нагретую воду I к более мелкому участку устройства. Покатое днище | ящика позволяет получить после кратковременного пе- I 12—1240 177

риоДа с высоким уровнем радиаций слой нагретой воды. В ящике коллектора под остеклением необходимо про­сверлить несколько небольших вентиляционных отвер­стий, чтобы свести к минимуму влияние запотевания стекла. Ящик рекомендуется изготавливать из армиро­ванной стекловолокном пластмассы, окрашенной черной матовой краской или накрытой листом бутила. В 1967 г.

Национальным научно-исследовательским строительным институтом в Претории был разработан и испытан уп­рощенный вариант коллектора с корпусом из оцинкован­ной стали, имеющим постоянную глубину и прямоуголь­ное поперечное сечение [18].

Селективная поверхность. Получение селективной (по­верхности невозможно в условиях большинства домаш­них мастерских. Вероятно, проще всего изготовить се­лективное покрытие на меди, используя теплый раствор гидроокиси натрия и хлорита натрия, температуру и концентрацию которого следует тщательно контролиро-

вать [12]. Даже в отношении промышленно изготовлен­ных селективных покрытий имеются противоречивые мнения о том, как долго они будут эффективны. Из гра­фиков эффективности, приведенных в гл. 3, видно, что селективные поверхности имеют преимущества только при относительно высоких температурах коллектора.

Защита от замерзания. Проблема замерзания кол­лектора в зимнее время может быть решена нескольки­ми способами. Простейшим решением является отказ от использования системы солнечного нагрева в течение всего зимнего периода и слив воды из коллекторов. Ко­личество тепла, которое не будет получено за время с середины октября до середины марта, соответствует 20% полной годовой выработки энергии. Если исполь­зуется раствор антифриза, то система должна быть полностью автономна, а на ее эксплуатацию необходи­мо получить разрешение местной водохозяйственной ин­спекции. В таких системах предусматривается бак горя­чей воды с встроенным теплообменником, соединенным непосредственно с солнечными коллекторами; эти си­стемы рассматриваются ниже.

Коррозия. Проблемы коррозии также были рассмотре­ны в гл. 3. Одной из причин возникновения коррозии может являться использование в системе разнородных металлов, например меди и алюминия, находящихся в непосредственном контакте во влажной среде, или же по­дача в алюминиевую панель коллектора обычной водо­проводной воды, содержащей некоторые растворенные вещества. Этой проблеме придавалось большое значе­ние на конгрессе Международного общества по солнеч­ной энергии (ISES) в 1975 г. в Лос-Анджелесе, участни­ки которого пришли почти к единодушному мнению [13], что вопросы, связанные с возможной коррозией и утеч­ками в системах с алюминиевыми коллекторами, столь серьезны, что алюминий нельзя более считать подходя­щим материалом для изготовления коллекторов. Хотя в солнечной водонагревательной установке непосредствен­ный контакт разнородных материалов может отсутство­вать, коррозия может возникать в тех случаях, когда в системе имеются элементы, изготовленные из меди и простой или оцинкованной стали, особенно если в воде может растворяться медь. На ранней стадии эксплуата­ции медь пластины коллектора или соединительных трубопроводов может раствориться в воде и затем осесть 172 на поверхности оцинкованного бака-аккумулятора. Ана­логично может произойти коррозия поглощающей пла­стины из оцинкованной стали, если она соединена с мед­ным баком-аккумулятором.

С точки зрения коррозии столь же важным факто­ром является присутствие в системе растворенного кис­лорода, однако его влияние может быть полностью ис­ключено в результате изготовления всей установки из меди. Медь, которая весьма широко используется в во­допроводных системах, не корродирует в кислородсодер­жащей воде или в соответствующим образом обработан­ном растворе антифриза.

Трубопроводы. В обычных установках, работающих на принципе термосифона, для соединения коллектора с баком-аккумулятором рекомендуется использовать тру­бы диаметром 28 мм. Все соединительные трубопроводы следует монтировать в соответствии с обычными прави­лами сборки водопроводов, избегая установки прямо­угольных колен, что особенно важно для термосифонных систем. Наиболее серьезной проблемой, вероятно, явля­ется образование в системе воздушных пробок. При на­гревании обычной водопроводной воды из нее выделя­ется растворенный воздух, который, постепенно скапли­ваясь в какой-либо точке системы, образует воздушную пробку, вызывающую либо прекращение циркуляции, либо уменьшение расхода. Важно, чтобы трубопроводы, соединяющие коллектор с баком-аккумулятором, плавно поднимались в направлении потока. Целесообразно уста­навливать солнечный коллектор с небольшим наклоном, так чтобы горизонтальные участки гидравлических кол­лекторов панели постепенно поднимались в направлении к выходу из коллектора. В системе должны быть пре­дусмотрены воздушные краны. Трубопроводы, соединяю­щие различные элементы системы, должны быть возмож­но более короткими. Все трубопроводы горячей воды следует теплоизолировать.

Существуют, наверное, сотни различных конструкций солнечных водонагревателей; все они частично удов­летворяют потребности в горячей воде. Большая часть конструкций имеет некоторые общие для всех элементы, к которым относятся:

пластина коллектора;

теплоизоляция днища и боковых стенок пластины;

одно или два покрытия из стекла или прозрачной пластмассы с фронтальной стороны коллектора;

корпус;

система аккумулирования горячей воды, которая мо­жет представлять собой отдельный бак-аккумулятор.

В Англии важные работы в этой области были про­ведены Хейвудом в период с 1947 по 1955 г.; разработан­ные им конструктивные решения легли в основу созда­ния в последующие годы многочисленных типов систем солнечного нагрева [7, 8].

Корпус, покрытия и теплоизоляция. Корпус и стек­лянные или пластмассовые покрытия защищают пласти­ну коллектора от непогоды. Для размещения пластины коллектора и покрытий можно приспособить любую ко­робку, по форме похожую на обычный плоский ящик. Довольно часто корпус изготавливают из армированной стекловолокном пластмассы, но можно использовать де­рево или листовой металл. Поперечные сечения корпусов различного типа показаны на рис. 8.3.

Одинарное остекление пропускает около 90% падаю­щей солнечной радиации, но задерживает почти всю лу­чистую энергию, испускаемую поглощающей поверхио-

стью, поскольку стекло непрозрачно для длинноволново­го излучения. Применение двойного остекления еще больше снижает количество радиации, достигающей по­глощающей пластины, но если температура ‘пластины более чем на 35°С превышает температуру окружающе­го воздуха, то второе покрытие повышает эффективность работы коллектора, поскольку снижает тепловые потери or наружного покрытия в окружающую среду. Кроме того, второй слой прозрачной изоляции защищает в зим­нее время пластину от промерзания, когда температура ночыо падает ниже нуля. В связи с ростом затрат и трудностей установки второго покрытия в простых кол­лекторных системах рекомендуется использовать оди-

нарное остекление, тем более что в условиях Великобри­тании второе покрытие дает сравнительно небольшое улучшение работы коллектора.

Вместо стекла возможно использование и полупро­зрачной пластмассы, если она подвергнута специальной обработке и способна выдерживать погодные воздейст­вия. В США в некоторых серийно выпускаемых коллек­торах применяется тедлар типа 400 BG 20 TR, который заменил устойчивый к атмосферным воздействиям май — лар фирмы «Дюпон». Этот тонкий пленочный материал поддается тепловой сварке или склеивается. Как в Ве­ликобритании [9], так и в. США [10] успешно применя­лись полупрозрачные пластмассовые листы, армирован­ные стекловолокном. С таким материалом легче обра — 170

щаться, чем со стеклом, особенно при работе на открытой крыше, где нужно быть очень осторожным, чтобы не разбить стекло. Расстояние между двумя покрытиями или, при одинарном остеклении, между покрытием и по­глощающей пластиной должно составлять 15—25 мм. Точное значение этой величины не имеет существенного значения [11]. С целью удешевления прозрачное покры­тие можно изготавливать из несколько более худшего стекла толщиной 4 мм, которое применяется в теплич­ном садоводстве, хотя это и приводит к относительно не­большому уменьшению общей эффективности работы системы. Недостатком применения пластмассовых ма­териалов, даже специально приспособленных к работе в атмосферных условиях, является их ограниченный срок службы. При установке покрытия в корпусе и гермети­зации стыков следует избегать таких решений, при кото­рых по краям корпуса будет скапливаться вода. В неко­торых конструкциях это не учитывалось, в результате чего у нижней кромки покрытия почти всегда застаива­лась грязная вода. Для теплоизоляции днища и боковых стенок коллектора можно использовать различные выпу­скаемые промышленностью материалы, которые могут выдерживать максимальные температуры, превышающие 100°С — такие температуры весьма вероятны в нерабо­тающем коллекторе в жаркий солнечный день. Вполне удовлетворительной теплоизоляцией является стеклово­локно или минеральная вата. Следует избегать примене­ния полистирола, поскольку он плавится, находясь в кон­такте с горячей пластиной коллектора. Минимальную толщину теплоизоляции рекомендуется принимать рав­ной 50 мм на теневой стороне и 25 мм на боковых стен­ках, хотя во втором случае теплоизоляция не столь важ­на и может не предусматриваться совсем.

Закрытый коллектор. Хотя в странах, расположенных на высоких широтах, как, например, в Великобритании, простой, обеспечивающий небольшое повышение темпе­ратуры, закрытый коллектор обычно может использо­ваться только в летние месяцы, он работает в этот пери­

од с высокой эффективностью и экономически весьма выгоден. Капитальные затраты на такие установки, включая трудозатраты, окупаются менее чем за три года, в чем можно убедиться, сопоставив эти затраты с ожидаемой экономией энергии от обычных энергоисточ­ников. Конструкция закрытого коллектора, который ис­пытывался более 8 лет, показана на рис. 8.1. Коллектор не нуждается в остеклении или других прозрачных по­крытиях, поскольку повышение температуры в нем под­держивается на возможно более низком уровне. Если па­нели такого коллектора установлены в достаточно хоро­шо защищенном месте, то они будут работать по край­ней мере не хуже остекленных панелей, потому что при прохождении через любое прозрачное покрытие всегда теряется около 10% падающей солнечной радиации. Не требуется также теплоизоляция днища и боковых стенок, поскольку температура панели обычно близка к темпера­туре окружающего воздуха и тепловые потери пренебре­жимо малы. Такие коллекторы называются закрытыми, так как нагреваемая вода течет под теплопоглощающим материалом и не испаряется.

Конструкция. Основным конструктивным элементом панели является опорный лист с плоской поверхностью, например лист фанеры, желательно водостойкой, стан — I дартные размеры которого 2,44×1,22 м. Наиболее важ­ной особенностью, свойственной всем низкотемператур­ным коллекторам, является наличие тонкой матово-чер — ‘ ной тепловоспринимающей поверхности, которая способ­на поглощать почти всю падающую солнечную радиа­цию. Весьма подходящим для этой цели материалом оказался бутил, который был применен автором в 1968 г. [1, 2] на первых низкотемпературных панелях и в 1978 г. не обнаружил признаков разрушения. Этот лист с чер­ной поверхностью помещается над вторым, распределяю­щим поток воды листом, так что нагреваемая вода под действием силы тяжести может течь в виде тонкого слоя между двумя листами.

Существуют различные способы создания тонкой рав­номерно распределенной пленки воды на наклонной по­верхности. Удачным оказалось изготовление второго ли­ста из выпускаемого промышленностью полиэтиленового упаковочного материала, получившего название «эррэп». Он представляет собой однородную структуру, в которой равномерно распределены цилиндрические воздушные no­li* IF’ ,

лости. Главным недостатком этого материала является его плохая стойкость под действием ультрафиолетового излучения, вследствие чего срок его службы весьма не­велик, если он не защищен от прямого воздействия сол­нечной радиации. Однако закрытый бутиловым листом этот материал также прослужил более восьми лет. В этой схеме вода поступает в верхнюю часть коллектора из перфорированной трубы малого диаметра. Наименьший диаметр трубы должен составлять 15 мм, а диаметр от­верстий по крайней мере 2 мм при расстоянии между от­верстиями 10—15 мм. Эти размеры являются ориентиро­вочными; перед окончательной сборкой панели нетрудно испытать трубу и проверить, создает ли она равномер­ный поток воды. Последовательное соединение несколь­ких панелей может оказаться не вполне удовлетворитель­ным, поскольку давления и расход в системе могут при­вести к тому, что в последующие панели будет посту­пать постепенно уменьшающееся количество воды. Этого можно избежать либо с помощью разветвленной систе­мы, обеспечивающей подвод воды с обоих концов пер­форированной трубы каждой панели, либо увеличением сечения потока в панелях с недостаточным количеством воды путем увеличения числа отверстий или их диамет­ра. Нагретая вода возвращается в бассейн под действи­ем гравитационных сил; поэтому выход из панелей должен быть выше поверхности бассейна. Пластмассо­вые водосточные желоба прекрасно обеспечивают воз­врат воды в бассейн, а потери на испарение пренебрежи­мо малы. Легко также проверить, достаточен ли наклон сточных желобов от нижней части панелей к бассейну для пропуска потока.

Перечень материалов для изготовления коллектора:

плоская опорная панель — для работы в атмосферных условиях достаточна толщина 9,52 мм (длина L, шири­на W);

лист бутила;

лист упаковочного материала «эррэп»;

питающая труба — пригодна пластмассовая труба диаметром 15 мм, длина которой должна быть достаточ­на для соединения с трубами соседних панелей;

пластмассовый водосточный желоб для обратного стока воды в бассейн. Его длина должна быть достаточ­на для соединения с желобами соседних панелей и от­вода воды в бассейн;

два опорных конструктивных элемента длиной L и три или четыре длиной W. Поперечное сечение этих эле­ментов может быть практически любым, но достаточным для обеспечения жесткости конструкции;

прижимные планки длиной L в основном для уплот­нения краев панели;

опорная конструкция для всей панели; запорный вентиль и соответствующие гибкие трубы для соединения с входными патрубками панелей.

В качестве длины L и ширины W можно выбрать номинальные размеры стандартного фанерного листа 2,44X1,22 м.

Краткое описание конструкции. Полиэтиленовый ма­териал «эррэп» натягивается на фанеру, причем его ци­линдрические полости располагаются в продольном на­правлении; отогнутые вниз концы листа закрепляются

/ — прижимная планка; 2 — лист бутила;
3 —лист материала эррэп; 4 — водонепро-
ницаемый лист толщиной 9,52 мм; 5 —
опорный конструктивный элемент.

несколькими кнопками. Сверху укладывается лист бути­ла, который прижимается планками к опорным эле­ментам, как показано на рис. 8.2. После сборки основ­ных элементов конструкции устанавливается перфориро­ванная труба. На этом этапе монтажа полезно испытать трубу, прежде чем закрыть ее бутиловым листом. Тру­ба. должна равномерно распределять поток воды. Воз­вратный желоб устанавливается в последнюю очередь, после монтажа панели на месте, поскольку необходимо обеспечить небольшой его уклон в сторону бассейна.

Расход теплоносителя. Для снижения тепловых потерь повышение температуры в коллекторе должно быть воз­можно более низким. Один литр воды нагретой от 15 до 55°С, получает лишь 1/10 часть ю"*’ /щства тепла, кото­рое передается 400 л воды, на. ж — ёмой с 15 до 16°С, хотя в первом случае легче убедиться, что вода нагрета. Поэтому расход должен составлять по меньшей мере 150 л/(м2-ч). Важно, чтобы панель коллектора не

была перекошена, а питающая труба была горизон­тальна.

Если эти условия не выполнены, вода будет стекать по одной стороне панели, что значительно ухудшит об­щий КПД системы, поскольку поглощенное солнечное излучение может эффективно передаваться воде только в том случае, когда она непосредственно соприкасается с поверхностью бутилового листа. Специальный насос обычно не нужен, поскольку коллекторы могут быть при­соединены с помощью тройника к обратному трубопро­воду существующей системы очистки.

Расположение и ориентация. Угол наклона и ориента­ция панели не имеют решающего значения. Для север­ного полушария идеальной является южная ориента­ция, но отклонение от этого направления на несколько градусов в ту или другую сторону окажет очень малое влияние. Непосредственно для летнего периода опти­мальный наклон панели к горизонту составляет вероятно 40° или меньше. Можно осуществить полное математи­ческое моделирование с целью определения оптимально­го угла наклона в различное время года; однако неред­ко более важную роль играют местные факторы, напри­мер наличие высоких деревьев или зданий, затеняющих коллектор. Во многих случаях предпочтительно устанав­ливать коллекторы на крышах существующих зданий; такое расположение, кроме того, является наиболее удач­ным в эстетическом отношении. Здравый смысл не по­зволит расположить коллекторы в неподходящих и, прежде всего, затененных местах; тем не менее целесо­образно все площадки для установки коллекторов про­верять с точки зрения затенения в течение всего дня в начале рабочего сезона.

Размеры, характеристики и экономические показате­ли. Сначала целесообразно рассмотреть отношение пло­щади коллекторов к площади .поверхности бассейна. Это отношение использовалось в работах [3, 4] для оценки вероятного повышения температуры в бассейне в тече­ние дня при различных метеорологических условиях. Для повышения температуры примерно на 5°С в хоро­ший летний день в умеренном климате отношение пло­щади коллектора к площади бассейна предлагалось при­нимать равным приблизительно 1,5:1. Однако устойчи­вое повышение температуры воды в бассейне в течение нискольких недель в начале сезона может быть достиг — 166

нуто даже при таком низком отношении, как 0,25:1. Это связано с тем, что почва вокруг бассейна нагревается за счет теплопритока от воды, имеющей более высокую температуру, и это способствует поддержанию в бассей­не благоприятной температуры в течение нескольких облачных дней подряд. Даже если площадь солнечного коллектора составляет всего 1/10 части площади поверх­ности бассейна, количество тепла, полученного за один хороший день, может быть достаточно для дополнитель­ного повышения температуры воды примерно на 0,5°С. Испытания, проведенные в течение плавательного сезо­на 1975 г. в одной из школ графства Суссекс, где были установлены панели конструкции автора, показали весьма значительную экономию по сравнению с преды­дущим сезоном. В 1974 г. при электрообогреве бассейна плавательный сезон продолжался с конца мая до начала сентября, причем было израсходовано 48 885 кВт-ч электроэнергии [5]. В 1975 г. при комбинированном ис­пользовании электрообогрева и солнечного тепла плава­тельный сезон продолжался с середины мая по октябрь, а потребление электроэнергии снизилось до 14 232 кВт-ч. Средняя температура воды в бассейне составляла 23— 29°С. Эти цифры следовало бы сопоставить с приходом солнечного излучения за рассматриваемый период вре­мени. Однако разумно предположить, что за сезон

1975 г. выработка тепла коллекторами составила около 500 кВт-ч/м2, а остальное тепло подводилось за счет излучения, падающего непосредственно на поверхность бассейна.

Затраты на материалы, включая бутиловый лист,

! упаковочный материал «эррэп» и деревянную раму кол­лектора, составляют менее 10 фунт. ст. (по курсу

1976 г.) и могут окупиться в течение двух лет за счет снижения затрат на обогрев бассейна традиционными методами.

Открытая система. При обращенной на юг (в север­ном полушарии) рифленой кровле, например, из оцин­кованного железа перфорированную трубу можно распо­ложить вдоль конька крыши и подавать в нее насосом воду из бассейна, с тем чтобы она стекала вниз по же­лобкам. Поскольку в таких системах поток воды не изолирован от атмосферы, то неизбежны тепловые поте­ри на испарение, в результате чего полная эффектив­ность будет составлять, вероятно, всего лишь 2/3 эффек­

тивности закрытой системы. Отверстия в перфорирован­ной трубе должны быть расположены напротив кана­вок рифленого листа, а их минимальный диаметр дол­жен составлять примерно 5 мм при расстоянии между отверстиями по меньшей мере 75 мм. Расход воды, как и в случае закрытой системы, должен обеспечивать не­значительное повышение температуры. Можно повысить эффективность такой системы, натянув над рифленой по­верхностью прозрачный пластик, например пленку «тедлар» (фтористый поливинил) типа 400 BG20TR, вы­пускаемую фирмой «Дюпон»; в этом случае система превращается в коллектор типа Томасона. Можно ис­пользовать и обычные рифленые прозрачные пластмас­совые листы, устанавливаемые на открытом воздухе.

В графстве Суссекс была успешно испытана другая система открытого типа, представляющая собой боль­шую плоскую черную бетонную поверхность ступенча­той формы. Вода из бассейна подается насосом на верх­нюю ступень, откуда медленно стекает по черным бетон­ным уступам в бассейн. Эта весьма простая конструк­ция, которую легко реализовать на практике, позволяет получить довольно высокое отношение площади коллек­тора к площади бассейна. Единственная трудность при сооружении системы связана с получением равномерной тонкой пленки воды по всей поверхности. Решению этой задачи способствует укладка на верхней ступени кас­када длинной гибкой перфорированной трубы.

Регулирование. Для таких низкотемпературных си­стем по существу не нужны чувствительные двухпози­ционные дифференциальные терморегуляторы. Практи­ка показала, что вполне достаточно управлять систе­мой вручную, подавая воду в панели примерно с 8 до 18 ч ежедневно, за исключением очень облачных или ненастных дней. Если используется дифференциальный терморегулятор, то должно предусматриваться некото­рое запаздывание во времени, чтобы избежать постоян­ного включения и выключения системы в условиях пе­ременной облачности.

Бассейны с плавающим покрытием. Прежде чем при­ступить к сооружению системы солнечного нагрева, значительно проще и гораздо более экономично закры­вать бассейн сверху, чтобы снизить влияние основного источника тепловых потерь — испарения. Проще всего воспользоваться каким-либо плавающим покрытием. Эф — 168

фєктивной будет тонкая черная полиэтиленовая пленка. Ее нетрудно закрепить по краям бассейна и нужно лишь предусмотреть небольшие отверстия для стока дождевой воды, расположенные с интервалом около 0,3 м. Выпу­скаемые промышленностью плавающие покрытия бас­сейнов часто делают из двух синих поливинилхлоридных кленок, разделенных пенополиуретановыми планками. При накрывании бассейна вода в нем охлаждается за ночь примерно на 1°С, в то время как в открытых бас­сейнах температура падает более чем на 2°С. Разница в один градус кажется очень малой, но даже для неболь­шого бассейна объемом (90 м3) она эквивалентна более 100 кВт-ч электроэнергии.

ВВЕДЕНИЕ

В предыдущих главах было показано, что во многих районах мира солнечную энергию можно использовать Для частичного удовлетворения потребностей в тепле. П—1240 161

Однако необходимо учитывать, что на высоких широтах в течение mhofhx дней зимнего периода интенсивность солнечного излучения слишком низка, чтобы обеспечить сколько-нибудь заметное участие в покрытии тепловой нагрузки. Существуют два основных типа солнечных установок, которые может изготовить любой человек, имеющий некоторый опыт плотницких работ, а еще луч­ше навыки монтажа обычных водопроводных труб. Про­ще всего изготовить солнечное устройство для неболь-

Рис. 8.1. Закрытый коллектор.

1 — перфорированная труба под листом из бутила; 2 — прижимная планка; 3 — бутиловый лист, который может пере­крывать желоб; 4 — опорная конструк­ция; 5 — желоб возврата воды в бас­сейн.

шого повышения температуры, например для нагрева воды плавательного бассейна. В этом случае требуется большой по площади и простой по конструкции коллек­тор без остекления и теплоизоляции. Установки такого типа, к которым относятся системы горячего водоснаб­жения, более сложны. Панели коллектора, площадь поверхности которых обычно составляет 4—6 м2, должны быть остеклены и теплоизолированы; кроме того, необ­ходимо учитывать еще несколько факторов, в том числе относительное расположение различных элементов систе­мы и длину соединительных трубопроводов.