Солнечные кухни. Приготовление пищи при помощи солнечной энергии привлекает внимание многих исследо­вателей с тех пор, как в XVIII и XIX вв. были достигну­ты определенные успехи в этом направлении. Солнечные кухни можно разделить на три группы. Самые первые варианты конструкции представляли собой так называе­мый «горячий ящик» или простую солнечную печь, т. е. хорошо изолированный прямоугольный приемник с зачер­ненной внутренней поверхностью, накрытый прозрачной изоляцией. Более поздние модификации имели зеркаль­ную заднюю стенку. В таких устройствах при интенсив­ной радиации в течение нескольких часов может поддер­живаться температура более 100°С. К второй группе от­носятся конструкции, в которых используются концент­рирующие устройства. В 20-е годы Аббот применил си­стему с параболоцилиндрическим зеркалом, в которой в качестве теплоносителя использовалось масло, что позво­ляло приготовлять пищу также и в вечерние часы благо­даря более высокой рабочей температуре и лучшей теп­лоаккумулирующей способности теплоносителя. В ре­зультате исследований, проведенных в Индии в Нацио­нальной физической лаборатории под руководством Гхайя [23], была сконструирована солнечная кухня с алюминиевым параболическим отражателем. Подробно­сти технологии ее изготовления изложены в работе [24]. В некоторых типах солнечных кухонь, разработанных Висконсинским университетом, успешно использовалась металлизированная пленка [25], причем один из вари­антов представляет собой складную переносную конст­рукцию, смонтированную на каркасе обычного зонта. В сообщениях Флоридского университета [5] освещены разработки солнечных кухонь типа «горячего ящика», а также устройств со сферическими и цилиндрическими зеркалами-концентраторами.

К третьей группе относятся солнечные паровые кух­ни, основными элементами которых являются плоский коллектор и теплоизолированная камера, представляю-

щая собой в сущности паровую баню, в которую поме­щается емкость для приготовления пищи. Коллектор со­стоит из металлического листа с припаянными к нему продольными трубками и двух или трех слоев прозрач­ной изоляции. Трубки непосредственно соединены в верх­ней части коллектора с рабочей камерой. В Гаити раз­работан плоский коллектор размерами 0,8X1,55 м, со­единенный с камерой, в которую помещена цилиндриче­ская алюминиевая емкость диаметром 200 мм и высо­той 125 мм для приготовления пищи [26]. Образец тако­го же коллектора меньшего размера разработан Брей — совским исследовательским институтом [27]. В продаже имеются солнечные кухни с алюминиевым параболиче­ским отражателем, одна из которых, изображенная на рис. 5.6, была продемонстрирована на Мировом конгрес­се по использованию солнечной энергии в Лос-Анджеле­се в 1975 г. В процессе дальнейших разработок будет рассмотрен вопрос об использовании тепловых труб для передачи тепла от коллектора к аккумулирующим уст­ройствам длительного действия, чтобы можно было при­готовлять пищу в утренние и вечерние часы.

Солнечные печи. Параболический концентратор явля­ется наиболее эффективной оптической системой для солнечной печи. Обеспечение слежения за солнцем для больших параболических зеркал вызывает значительные ‘і практические трудности. Поэтому существует другой спо­соб их применения, при котором параболическое зеркало устанавливается неподвижно и ориентируется на север (в северном полушарии). Напротив него размещается ге­лиостат с системой слежения. Этот метод был использо­ван Тромбом [28] в лаборатории по использованию сол­нечной энергии для первой большой солнечной печи с диаметром зеркала около 10,7 м, построенной в Мон — Луи в Пиренеях в 1950 г. В Одейо Французским Нацио­нальным центром научных исследований была построена печь мощностью 1000 кВт [29], являющаяся, несомнен­но, самой выдающейся из всех известных солнечных пе — І чей, существовавших в 70-е годы. Параболическое зерка­ло размерами 39,6×53,3 м состоит из 9500 отдельных зеркал суммарной площадью отражающей поверхности j 2839 м2. Исследования солнечных печей проводятся так — j же в СССР [30], в США и в Японии.

Экспериментальные работы показали, что с помощью солнечных печей можно получать тугоплавкие окислы при температуре более 3000° С. Солнечные печи исполь­зуются для получения химических соединений, таких как ‘ бориды вольфрама и молибдена, методом осаждения из і парообразного состояния [31], а также’для проведения | исследований процессов фазовых переходов при высокой температуре [32, 33]. Поскольку в солнечных печах j можно обеспечить очень быстрый подъем температуры, их используют при испытаниях различных материалов >| на тепловой удар.

Для большинства процессов в химической промыш­ленности требуется нагрев, который обеспечивается за счет органического топлива, и было бы весьма ценно, если бы благодаря исследованию солнечных печей уда­лось заменить это топливо сконцентрированной солнеч­ной радиацией. Однако нет никаких оснований считать, і что где-нибудь налажено производство солнечных печей, хотя в Одейо было продемонстрировано, что солнечная Печь является важным инструментом для изучения свойств материалов при высоких температурах. Воз­можно, что в южных странах, где ощущается недостаток органического топлива, солнечные печи найдут промыш-

ленное применение для относительно низкотемператур. ных процессов, например при обжиге кирпича.

Линзы Френеля. Степень концентрации линзы про — порциональна отношению ее диаметра к фокусному рас — стоянию, поэтому достижение высокой степени концент­рации с помощью единич­ной линзы ограничивается трудностью точного изготов­ления обычных короткофо­кусных линз. В линзе Фре­неля в единичном модуле реализуются возможности •многолинзовой системы, по­скольку каждый сегмент по­строен таким образом, что­бы фокусировать падаю­щую радиацию на цент­ральный приемник. Другим преимуществом линз Френе­ля является их небольшая толщина в направлении, пер­пендикулярном потоку ра­диации. На рис. 5.7 дано поперечное сечение ли­нейной линзы Френеля, которая может быть установ­лена в системе коллекторов со слежением за Солнцем в одном направлении [34]. Рабочие характеристики та­кой системы приведены в работах Нортрупа [35] и Нельсона [36], где показано, что линзы Френеля лучше всего применять в сочетании с вакуумным трубчатым коллектором, если требуемая температура не превышает 250° С. Долгосрочные экономические прогнозы показы­вают, что системы с линзами Френеля смогут конкури­ровать с органическим топливом и будут давать энергию в 3 раза более дешевую, чем электрическая, в neH8N 1975 г. [35]. Считается, что круглые линзы Френеля пригодны для небольшой концентрации в системах с ф0′ тоэлектрическими батареями [37].

Любой из пяти рассмотренных ниже способов ис­пользования солнечной и тепловой энергии в больших : масштабах может быть реализован к 1990 г. На науч-1 но-исследовательские работы и разработку некоторых проектов были затрачены большие усилия, благодаря этому на стадии моделирования были проведены под-j робные конструкторские проработки некоторых элемен­тов, например, при изучении поля гелиостатов.

Солнечная энергетическая станция башенного типа. Система с центральным коллектором состоит из больС шого числа управляемых зеркал-гелиостатов, которые отражают солнечную радиацию и направляют ее на центральный приемник, помещенный на высокой баш­не. При высокой степени концентрации солнечной ра­диации в приемнике может быть получен пар высокой температуры. Рассматриваются также возможности ис4 пользования других теплоносителей. Опытная солнеч­ная станция мощностью 50 кВт, построенная в Сайт Илларио-Нерви в Италии, может генерировать 150 кг/ч перегретого пара при температуре 500°С, при­чем поле гелиостатов этой станции состоит из 270 зер-: 118

кал диаметром 1 м каждое [10]. В более поздних аме­риканских работах [11—13] рассматриваются отдель­ные солнечные станции мощностью 100 МВт с высотой башни от 300 до 450 м для обеспечения дополнитель­ной и пиковой нагрузки. К 1981 г. запланировано стро­ительство станции мощностью 2 МВт во Франции. На рис. 5.4 показана система, состоящая из поля гелиоста­тов, образующих четыре группы, каждая из которых имеет свою башню, и центральной станции в центре поля. Для реализации такой системы потребовались бы многие тысячи гелиостатов, а расстояние между от­дельными башнями должно быть более 1 км. Эконо­мические преимущества такой системы заключаются в том, что можно осуществлять массовое производство гелиостатов. В таких системах нежелательно примене­ние относительно мелких зеркал, поскольку есть опас­ность их повреждения при сильном ветре. Стоимость 1 кВт, подсчитанная в 1975 г. для станции мощностью 300 МВт, состоящей из трех башен, составляла 930 долл.

Система с рассредоточенными коллекторами. Систе­ма, характерной особенностью которой является нали­чие большого числа индивидуальных коллекторов, на­зывается «солнечной фермой». Для сбора энергии на центральной станции необходима разветвленная систе-

ма изолированных трубопроводов. В этой системе мож­но с успехом использовать коллектор типа НОСТ, рас­смотренный в гл. 4. Общий вид системы с рассредото­ченными индивидуальными коллекторами представлен на рис. 5.5. Вместо отдельных коллекторов в такой си­стеме можно применять длинные параболоцилиндры. Обе. системы должны размещаться в пустынных обла­стях, и их использование ограничивается районами с высоким уровнем прямой солнечной радиации.

Машины, использующие тепловую энергию океана. Разработки тепловых машин, использующих разность между температурой поверхности океана и температу­рой более холодных глубоких слоев воды, начали про — 120

водиться в конце XIX в. Океаны — это естественные приемники солнечной энергии, которые не требуют спе­циальных аккумулирующих устройств и коллекторов и благодаря своим огромным размерам являются потен­циальными конкурентами других источников при про­изводстве энергии. Первая энергетическая установка такого типа мощностью 22 кВт, расположенная у по­бережья Кубы, была разработана в конце 20-х годов Клодом [14]. Общий КПД системы составлял менее 1%; работа системы основывалась на открытом цикле Ренкина, причем морская вода с более высокой темпе­ратурой пропускалась непосредственно в испаритель низкого давления, где получался пар для турбины. Эта установка в то время оказалась неэкономичной, так же как и более крупная установка, проект которой был разработан во Франции 20 лет спустя. Поэтому дальнейшая работа в этом направлении была прекра­щена.

В 60-е годы в США вновь возник интерес к этой проблеме в связи с предложением использовать замк­нутый цикл Ренкина [15]. Эта работа послужила ос­новой для широких теоретических исследований, кото­рые были обобщены Мак Коном [16]. Пять исследова­тельских групп из промышленных организаций и уни­верситетов рассмотрели различные системы для раз­личных районов. Мощность этих систем находится в пределах от 100 до 400 МВт в зависимости от перепа­да температуры — в океане, который составляет 17,8°С в водах течения Гольфстрим у берегов Майами и 22,2°С в экваториальной зоне (до 22° с. ш. и ю. ш.). В качестве рабочего тела были предложены три различ­ных вещества—фреон R-12/41, пропан и аммиак. Зна­чения общего КПД всех пяти предлагаемых систем близки между собой и лежат в пределах от 2,1 до 2,4%. Проведены также исследования взаимодействия рассмотренных систем с окружающей средой, однако они в основном касаются вопроса о влиянии окружаю­щей среды на энергоустановки, а не наоборот. Рассле­дования в этом направлении необходимо продолжить в дальнейшем.

Основополагающей идеей в этих исследованиях яв­ляется представление о возможности осуществления преобразования солнечной энергии с наибольшей эф­фективностью, причем предполагается, что к 1986 г.

термальные энергоустановки, использующие тепло оке­анов, займут в США господствующее положение [5].

Солнечные энергетические установки на спутниках. Использование спутников, вращающихся вокруг Земли, для производства электроэнергии с передачей ее на Землю при помощи микроволновых генераторов впер­вые было предложено Глезером в 1968 г. [17]. Затем в США были проведены более детальные разработки этого проекта, основанные на использовании фото­электрического преобразования сконцентрированного солнечного излучения. Микроволновый генератор и его излучающая антенна расположены между двумя сим­метричными фотобатареями. Антенна направляет мик­роволновое излучение на приемную антенну, установ­ленную на Земле. Вращаясь на синхронной орбите, спутник будет находиться в стационарном положении относительно любой выбранной точки Земли, и благо­даря практически непрерывному поступлению радиа­ции следует ожидать наиболее полного использования солнечной энергии. По количеству получаемой энергии возможности такой системы в 15 раз превышают воз­можности наземных установок, которые ограни­чены погодными условиями и сменой дня и ночи. Систему можно проектировать на мощность от 3 до 15 ГВт [18].

Гидроэлектрическое преобразование солнечной энер­гии. Идея гидроэлектрического способа преобразова­ния солнечной энергии состоит в том, что солнечная энергия сначала превращается в гидравлическую энер­гию, а затем в электрическую. Если закрытый резер­вуар полностью изолирован от моря, то уровень воды в нем в результате испарения будет понижаться. Гид­роэлектрогенератор может быть размещен на трубо­проводе, соединяющем резервуар с морем. Падение уровня воды в резервуаре вызовет приток ее из моря. При этом потенциальную энергию, обусловленную раз­ностью уровней воды, можно превращать в электриче­скую. При соответствующем подборе уровней и расхо­да воды можно добиться непрерывности процесса. Эта проблема исследовалась Кеттани (Саудовская Ара­вия), который измерял скорость испарения и сравни­

вал экспериментальные данные с теоретическими [19, 20]. Изучаются также возможности постройки дамбы через залив Бахрейн, чтобы реализовать подобный проект [21].

СОЛНЕЧНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ

Первый закон термодинамики чаще всего выражает­ся следующим образом: в замкнутой системе измене­ние внутренней энергии равно разности суммарного количества тепла, поступающего в систему Q, и сум­марного количества работы, произведенной системой W.

Если Еч и ЕJ представляют собой начальную и ко­нечную внутреннюю энергию системы, то

Q-W=E2-El. (5.1)

Для непрерывного получения полезной работы не­обходимо привести систему обратно в ее начальное со — 112

стояние, т. е. завершить цикл. В уравнении (5.1) об­щее количество тепла Q, переданного системе, состо­ит из двух частей. Ql представляет собой тепло, полу­ченное системой при более высокой температуре, а q2 — тепло, отданное системой при более низкой тем — ; пературе. Это является следствием второго закона тер­модинамики, утверждающего, что невозможно скон­струировать тепловую машину, которая будет превра­щать теплоту в работу, если в цикле имеется только | один тепловой резервуар. Резервуар с более высокой температурой часто называют источником, а с более низкой — стоком. Выраженный в другой форме второй 1 закон термодинамики утверждает, что передача тепла I может осуществляться только от более горячего тела к I более холодному. КПД цикла представляет собой от — I ношение суммарной полезной работы W к поглощен- I ному теплу Qi:

W

^1= ОТ — (5.2)

Поскольку рассматривается цикл, то №=Qi — Q2 и КПД может быть представлен как

^ = или (5.3)

Если абсолютная температура источника равна Ти а стока — Т2, то

<5-4>

Это выражение, как известно, определяет КПД иде­ального цикла Карно, названного так в честь француз­ского ученого Сади Карно, который первым сформули­ровал этот закон в 1824 г. Более детальное обсужде­ние этого вопроса в связи с использованием солнечной энергии излагается Бринквортом [1].

Никакая реальная тепловая машина не может иметь ^ПД больше, чем КПД цикла Карно. Это объясняет — Ся различными причинами, главными из которых яв — I Ляются наличие трения между движущимися частями I ^ащин, а также необходимость существования разно — I Сти температур между источником и машиной и меж — I машиной и стоком, обеспечивающей передачу тел-

I 1^1240 из

ла. В практике удобно пользоваться понятием КПД цикла Карно для сравнительных оценок, имея в виду, что в лучшем случае КПД реальной машины будет составлять две трети КПД цикла Карно.

Из уравнения (5.4) следует, что чем выше темпе­ратура горячего источника, тем больше КПД при по­стоянной температуре стока. Если применить такой подход к характеристикам солнечных коллекторов, по­казанных на рис. 3.22, то возникает противоречие, за­ключающееся в том, что некоторому увеличению тем­пературы коллектора соответствует уменьшение сум-

Рис. 5.1. Зависимость КПД идеаль-
ной солнечной машины от темпера-
туры.

/ — вакуумированный трубчатый коллектор фирмы «Оуэнс-Иллинойс»; 2 —коллектор

с двойным остеклением и селективным по-
глощающим покрытием фирмы PPG; 3 —
коллектор Хейвуда с одинарным остекле-
нием.:

марной эффективности его работы. Для некоторых за­данных значений плотности потока прямой солнечной радиации и температуры стока можно построить кри­вую КПД идеальной солнечной машины, который яв­ляется произведением суммарного КПД коллектора, приведенного на рис. 3.22, и КПД цикла Карно. Такие зависимости изображены на рис. 5.1 для трех различ­ных типов коллекторов при плотности потока радиации 900 Вт/м2 и температуре стока 300 К.

Из приведенных на рис. 5.1 данных видно, что до тех пор, пока разность температур источника и стока не превосходит 35°, КПД идеальной солнечной маши­ны, основанной на применении всех трех типов коллек­торов, примерно равны. Очевидно, что использование коллекторов простейших конструкций может обеспе­чить КПД солнечных тепловых машин лишь на уровне нескольких процентов, практически не более 2%. Для достижения КПД порядка 10% требуется значительное 114
усовершенствование конструкции коллекторов или при­менение фокусирующих систем.

Некоторые типы действующих машин. В обзоре ра­бот, проведенных в период до 1960 г., Джордан [2J отмечает большое число предложенных и реализован­ных изобретений, касающихся солнечных энергетиче­ских установок, в которых энергия расширения, сжа­тия или испарения твердых, жидких или газообразных тел преобразуется в механическую энергию. Большая часть этих устройств использовалась для перекачки воды при обводнении пустынных засушливых районов, обычно характеризующихся высоким уровнем поступ­ления солнечной радиации в течение всего года и ост­ро нуждающихся в дешевых источниках энергии. Из более ранних работ в настоящее время в связи с раз­работкой высокоэффективных коллекторов вновь рас­сматривается возможность использования системы про­стого пароструйного инжектора в сочетании с плоским солнечным коллектором. Водяной пар пропускался че­рез высокоскоростное сопло, в результате чего проис­ходило всасывание перекачиваемой воды. Суммарный КПД системы был ниже 1%.

Университет штата Флорида является главным цент­ром работ по преобразованию солнечной энергии в не­больших масштабах, причем его разработки касаются в основном машин небольшой мощности [3]. Изучают­ся машины трех основных типов:

воздушные двигатели с замкнутым циклом, в кото­рых ограниченный объем воздуха перемещается с по­мощью поршня между горячей и холодной поверхно­стями. Рабочий поршень приводится в действие за счет периодического повышения давления «в цилиндре;

воздушные двигатели с разомкнутым циклом, в ко­торых поступающий из атмосферы воздух сжимается и нагревается за счет солнечной энергии. Затем этот воздух, находящийся при высоком давлении и температуре, расширяется и цикл завершается выхлопом.

Паровые двигатели, которые используют плоские солнечные коллекторы в сочетании с обычным хладо — агентом R-11 (трихлормонофторметан).

Как в двигателях с горячим воздухом, в которых высокоэффективный нагрев обеспечивается благодаря использованию фокусирующих коллекторов, так и в 5* 115

двигателях с замкнутым циклом получаемая мощность достигала 250 Вт при диаметре параболического зер­кала 1,5 м, а суммарный КПД превышал 20%.

В солнечном паровом двухцилиндровом двигателе

[4] использовалось тепло, полученное в трех плоских коллекторах площадью 2,8 м2 каждый, средний КПД которых составлял более 50%. Максимальная выход­ная мощность достигала 150 Вт, что соответствует сум­марному КПД около 3,5% и хорошо согласуется с ре­зультатами, приведенными в предыдущем разделе.

Во Флоридском университете разрабатывается так­же солнечный насос очень простой конструкции, не имеющий движущихся частей кроме двух обратных

Рис. 5.2. Насос «Флюидин 3».

1 — змеевик; 2 —резервуар с водой; 3- «горячее» колено; 4 — «холодное» ко­лено» ; 5 — U-образная трубка с возду­хом; 6 — выпускное отверстие; 7 —вы­пускной клапан; в —впускной клапан; 9 — всасывающее отверстие.

клапанов [5]% В этой конструкции бойлер при помощи U-образной трубки соединен с сосудом, имеющим об­ратные клапаны на входе и выходе. Всасывающее от­верстие впускного клапана находится в контакте с пе­рекачиваемой водой. Вода в бойлере нагревается, пре­вращается в пар, который вытесняет воду из сосуда через выпускной клапан. Достигнув дна U1-об раз ной трубки, пар быстро проходит в сосуд и конденсирует­ся, в результате чего создается вакуум и впускной клапан открыовается. Описанная система является со­временной модификацией солнечного насоса Белидора (см. рис. 1.1). В другой, очень простой модификации этой конструкции, разработанной в Англии фирмой «АЕРЕ Харуэлл» [6], бойлер заменен цилиндром с го* і 16

рячим воздухом, в котором осуществляется замкнутый цикл. Один из вариантов такой системы, насос «Флюи — дин 3», показан на рис. 5.2. Один конец U-образной трубки нагревается, и вода в выходной колонке начи­нает колебаться под действием создаваемой разности давлений, вызывающей выталкивание воды через вы­пускной клапан и всасывание новых порций через впускной клапан. Эта система будет работать до тех пор, пока поступает тепло, причем колебания будут происходить со своей собственной частотой. В кон­струкции солнечного насоса, разработанной в Индии [7], в качестве рабочего тела используется пентан, на­греваемый под давлением в плоском солнечном коллек­торе. Изучены модификации насоса с водяным и воз­душным охлаждением.

Обычно в качестве рабочего тела в тепловых дви­гателях используется воздух или пар, однако сущест­вуют некоторые металлические сплавы, которые обла­дают таким свойством, что, будучи деформированы под действием внешней силы, они при нагреве возвра­щаются в прежнее состояние. Этим свойством обла­дает, например, сплав никеля с титаном «нитинол», у которого оно проявляется уже при температуре 65°С, легко достижимой в солнечных нагревателях. Изящной формы и простой водяной насос, действие которого ос­новано на этом эффекте, был продемонстрирован в Лондоне Френком и Эшби [8], причем эта разработка явилась результатом их более ранних работ по свой­ствам стеклокерамик. Водяной насос представляет со-

бой не что иное, как многоковшовую раму, приводи­мую в действие основным двигателем, который изобра­жен на рис. 5.3. Двигатель опирается на обод сосуда с водой и состоит из двух вертикальных стержней, же­стко закрепленных да горизонтальной оси, причем эти стержни соединены с расположенным ниже горизон­тальным жестким прутом с помощью изогнутых в про — ] тивоположные стороны листовых пружин и нитиноло — вых проволок. Когда любая из нитиноловых проволок на­гревается до 65°С, она стремится выпрямиться, сме­щая при этом центр тяжести к противоположной по отношению к оси стороне, в результате чего устройст — .j во поворачивается вокруг оси. Если, как показано на рис. 5.3, ось опирается на обрд открытого сосуда, на — ! полненного теплой водой, то устройство колеблется во — > круг оси, причем колебания обусловлены поочередным і выпрямлением нитиноловых проволок и смещением центра тяжести по мере того, как они приближаются к ■воде или погружаются в нее. Более совершенная систе — ] ма была разработана в. США Бенксом [9].

I

В обзоре [53] работы Шерклиффа [9] имеется за­мечание о том, что множество описанных проектов по-^ нравится читателю и совершенно смутит того, кто[4] серьезно занят поисками оптимальной системы. Одна из трудностей, возникающих при попытке провести лю| бой анализ, состоит в том, что даже в домах с тради-1 ционной системой отопления затраты на отопление в одном и том же районе в почти одинаковых домах для, казалось бы, очень похожих семей будут изменяться в широких пределах. Было сделано предположение, кото! рое представляется разумным, что все солнечные до-1 ма, включенные в анализ, заселены совсем одинаков выми семьями, которые будут стараться получить оті использования солнечной энергии все, что может обес-| печить их конкретная система. Вторая трудность воз-ч никает при попытке определить, что понимается иоД; 108

«коэффициентом замещения» *. В тех случаях, когда имеются сведения о том, как ведут себя обитатели сол­нечного дома, например дома Мэтью [18], выясняет­ся, что в основном их вполне удовлетворяет более низ­кая температура в помещении, чем та, которую можно было бы обеспечить за счет традиционного отопления. Это сильно затрудняет точное определение реальной потребности в тепле при традиционном отоплении.

Основными факторами, которые должны быть при­няты во внимание при анализе, являются следующие: отношение площади коллектора к площади пола; положение, угол наклона и тип солнечного коллек­тора;

отношение объема аккумулятора к площади пола; тип аккумулирующей системы; географическое местоположение здания; общие изоляционные характеристики; высота отапливаемых комнат.

Далее можно принять некоторые допущения. В ка­честве аккумулирующей системы можно рассматри­вать эквивалентный объем воды. Изменениями харак­теристик изоляции и высоты отапливаемых комнат

следует пренебречь, поскольку отсутствует необходи­мая информация по этим параметрам. Это означает, что для любой конкретной широты могут быть постро­ены серии кривых, показывающих зависимость «коэф­фициента замещения» от отношения объема аккумуля­тора (Ка) к площади пола (5П) при различных значе­ниях отношения площади коллектора к площади пола.

/ — дом в Туксоне; 2—бунгало «Блисс-Хауз»; 3 —дом Хея; 4 — дом Томасо-
на I; 5 —дом Томасона III; 6 — дом Лёфа в Колорадо. В скобках указано
отношение площади коллектора к площади пола.

Такое представление положено в основу анализа. Глав­ные характерные случаи показаны на рис. 4.20, где приведено несколько кривых, построенных для районов южнее 40° с. ш. Первые солнечные дома имели, как правило, не очень хорошую изоляцию и менее эффек­тивные, чем в настоящее время, системы солнечных кол­лекторов, так что самая нижняя кривая на рис. 4.20, построенная ^ля отношения площади коллектора к площади пола’ равного 0,6, представляет собой харак­теристики, достигнутые в 50-е годы. Усовершенствование изоляции и коллекторных систем привело согласно расчетам к значительному изменению характеристик. Как это видно из двух верхних кривых, главная тен­денция состоит в том, что относительно меньшие кол­лекторные и аккумулирующие системы могут обеспе­чить более высокое значение коэффициента замеще­ния. Рассмотрим конкретный случай, когда характерис­тика первоначально представлена точкой А. В настоя­щее время значение коэффициента замещения, равное 110

100%, можно получить при несколько меньшем отно­шении площади коллектора к площади пола, опреде­ляемом точкой В. Если требуется тот же уровень коэф­фициента замещения, то его можно обеспечить при уменьшении площади коллектора и объема аккумуля­тора вдвое, что соответствует точке С.

На рис. 4.21 показаны действительные и расчетные точки характеристик различных солнечных зданий, рас­положенных южнее 40° с. ш. Из представленных дан­ных видно, что если отношение объема аккумулятора к площади коллектора больше 100, вполне возможно на 100% обеспечить отопительную нагрузку за счет солнечного отопления, и что очень высокие значения коэффициента замещения (90%) получаются по рас­четам при достаточно низких значениях отношения объ­ема аккумулятора и площади коллектора к площади пола.

Из сравнения рис. 4.21 с рис. 4.22, на котором на­несены точки, относящиеся к районам севернее 40°с. ш.,

сразу же видно, что доля отопительной нагрузки, кото­рую можно обеспечить за счет солнечного отопления, во втором случае меньше. Выделяется только солнеч­ный дом Мэтью, отличающийся очень большим объе­мом аккумулятора при сравнительно малом отноше­нии площади коллектора к площади пола (0,44). Рас­четное значение коэффициента замещения для дома в Милтон-Кейнсе, равное 60%, выглядит вполне правдо­подобным для того отношения объема аккумулятора к площади пола, которое имеет этот дом. При рассмот­рении расчетных характеристик систем с улучшенной изоляцией и более эффективными коллекторами, при­веденными на рис. 4.21 и 4.22, отчетливо прослежива­ются те же тенденции, которые присущи кривым «а рис. 4.20.

Очевидно, что использование солнечного отопления, зданий приводит к экономии энергии. Правительство всегда оказывает влияние на размеры капиталовложе­ний в солнечные энергетические системы, поскольку цены на топливо повышаются или понижаются, но ес­ли принять, что с социальной точки зрения желатель­но иметь здания, отопления которых хотя бы частично обеспечивается — за счет. солнечной энергии, то прави­тельство обязано видеть, что это привлекательно и с экономической точки зрения.

Некоторую долю отопительной нагрузки можно обес­печить просто за счет установки на существующем не — остекленном чердаке вентиляционной системы, управля­емой с помощью дифференциального терморегулятора. В более сложных системах используют особенности традиционной наклонной крыши. При этом заменяют значительную площадь обращенной к югу кровли осте­клением, обеспечивая, таким образом, проникновение радиации внутрь чердачного помещения. Недавно по-

явились две большие системы, в которых используется этот принцип. В одной из них тепло из чердачного по­мещения передается с помощью теплового насоса непо­средственно в остальную часть дома, в другой применя­ется недорогая отражающая оптическая система.

Система с тепловым насосом. В солнечном доме, разработанном совместно Университетом штата Небрас­ки (г. Линкольн) и компанией «Линкольн Электрик Си­стем» [51], тепло от обращенной к югу застекленной крыши направляется внутрь чердачного помещения, в

котором нагретый воздух за счет естественной цирку­ляции поднимается к коньку крыши. Стандартный ус­танавливаемый вне помещения тепловой насос, разме­щенный вблизи конька, снабжен регуляторами, кото­рые позволяют извлекать тепло либо из наружного воздуха, либо из воздуха внутри чердачного помеще­ния. Это тепло переносится к водяному баку-аккуму­лятору, в котором поддерживается температура не ни­же 40°С, причем при необходимости используется до — „ полнительное тепло. По вертикальному воздуховоду воздух с чердака может подаваться непосредственно в дом и нагревать его. Когда тепловой насос извлекает энергию из воздуха, заполняющего чердачное помеще­ние, температура в этом помещении поддерживается приблизительно на уровне 10°С, таким образом дости­гается высокая эффективность собирания солнечной энергии без применения дорогостоящего двойного ос­текления. Аккумулированная горячая вода прокачи­вается сквозь обдуваемый вентилятором змеевик, вы­полняющий роль обычного радиатора воздушной ото — 106

пительной системы. Для охлаждения в летний период тепловой насос переключается и накапливает холод­ную воду при температуре около 5°С. Использование обычного имеющегося в продаже оборудования и ма­териалов является составной частью проекта, цель ко­торого состоит в демонстрации экономической жизне­способности разработки в типичных климатических ус­ловиях американского среднего запада, где в зимний период прямая радиация составляет примерно 60% всей радиации. Одна из экономических особенностей, обнаруженных при анализе, состоит в том, что отно­сительно высокое потребление электроэнергии в про­цессе собирания солнечной энергии компенсируется бо­лее низкими сравнительно с существующими система­ми с плоскими коллекторами капитальными затрата­ми на систему. Исследования этой системы, основан­ные на 800 ч работы, показали, что отопительный ко­эффициент теплового насоса должен составлять 2,72 вместо полученного для типичной стандартной систе­мы, установленной в Линкольне, значения 1,7.

Отражающая оптическая система. В одной из опи­санных систем используются только плоские отража­тели большой площади, отражающие приходящую ра­диацию на плоский коллектор, «площадь которого со­ставляет обычно около Vs площади отражателя. На рис. 4.18 показаны основные элементы пирамидаль­ной оптической системы [52].

Система состоит из неподвижных плоских отража­ющих поверхностей, которые образуют две грани пи­рамиды, и подвижной отражающей поверхности, кото­рая юстируется в соответствии с периодическими из­менениями траектории солнца — обычно сезонно. Осо­бо отмечается, что система обеспечивает степень оп­тической концентрации в пределах от 1,6 до 4,8 и по­зволяет получать высокие температуры в обычных плоских коллекторах, что является существенным для применения ее в абсорбционных охлаждающих уста­новках. Возможны различные варианты подвижного отражателя, включая систему, размещаемую снаружи, которая была использована в опытной, установке в Стэнфорде (штат Коннектикут).

Главным преимуществом использования системы с полностью застекленной крышей является то, что, при­меняя обычные конструктивные и технические приемы,

можно придать дому достаточно привлекательный внеш­ний вид, например солнечный коллектор на чердаке может служить обыкновенным окном для спальни, как это показано на рис. 4.19.

1 Стремление полностью обеспечить отопительную на­грузку любого здания приводит к необходимости иметь значительную площадь поверхности солнечного коллек­тора. Было сделано несколько различных попыток от­казаться от использования обычных плоских коллекто­ров. В следующих разделах описаны системы, которые исследовались в США в 1976 г.

Неподвижный отражатель со следящей теплоприем­ной системой (НОСТ)- Основной коллектор, который подробно описан в гл. 3, состоит из сегмента сферичес­кого зеркала, установленного неподвижно и обращен­ного к солнцу. Линейный теплоприемник следит за тра-

екторией солнца путем простого вращательного движе­ния около центра кривизны отражателя [45]. На рис. 4.17 показано, как установка НОСТ может повли­ять на конструкцию дома в районах с значительным приходом солнечной радиации в зимний период. Отли­чительной особенностью системы является то, что вода может быть нагрета до высокой температуры, достаточ­ной для производства электроэнергии, и, следовательно, появляется возможность создания самообеспечиваю­щихся систем без использования энергии ветра или прямого преобразования солнечной энергии в электри­ческую. Подробные сообщения о ікаком-либо примене­нии таких коллекторов отсутствуют, одцако недавно в Колорадо был спроектирован и построен дом, включаю­щий НОСТ.

В Великобритании дома с НОСТ едва ли получат распространение в связи с высокой долей диффузной составляющей и низким общим уровнем радиации в пе­риод зимнего солнцестояния, хотя в районах Средизем­номорья имеются все возможности для их успешной эксплуатации.

Пассивная система с водоемом на крыше (дом Хея).

С давних пор на крышах зданий устраивались водоемы для охлаждения, но только в 1967 г. Хей разработал систему, в которой для создания водовцма на крыше ис­пользовались черные поливинилхлоридные мешки, за­полненные водой [46—49]. В прототипе эксперимен­тального здания, построенного в Фениксе, слой воды глубиной около 180 мм являлся одновременно тепловым коллектором и аккумулирующей средой. Мешки разме­щались на плоской металлической крыше, которая так­же выполняла две функции — теплообменника и потол­ка здания. Ночью для предотвращения потерь тепла над мешками устанавливались изолированные панели В летний период процедура была обратной, так что за счет излучения в ночное небо водоем к утру охлаждал­ся, а затем изолировался пан, елями, и таким образо) обеспечивалось естественное охлаждение здания в тс чение дня.

Впоследствии система была проверена в рамка11 большой двухгодичной программы испытаний, выпол­ненной Калифорнийским политехническим университс том на однрэтажном доме в Атаскадеро (штат Калифор ния). Жилая площадь дома (около 106 м2) была н,#’ 104

колько больше, чем площадь водоема на крыше. Перед­вижные панели приводились в действие электрическим приводом, управляемым вручную или с помощью диф­ференциального терморегулятора. В сообщении об ис­пытании здания [50] говорилось, что тепловой режим дома был очень хорошим. Во время испытательного периода нагрузка на отопление и охлаждение здания обеспечивалась на 100%. В течение этого времени сис­тема была способна поддерживать температуру внутри дома в пределах от 19 до 23,3°С за исключением перио­дов специальных испытаний. Даже в течение этих экст­ремальных условий температура никогда не была выше 2б°С или ниже 17°С.

В июле испытания проводились при температуре до 38°С, а самая низкая температура — 3°С была зарегист­рирована в феврале 1974 г., когда среднее за месяц значение дневной температуры наружного воздуха со­ставляло 8,3°С. Благодаря использованию пластмассо­вого покрытия, которое можно было натягивать и спус­кать, система могла работать как с однослойной про­зрачной изоляцией, так и без нее. В летний период бы­ло необходимо спускать покрытие, чтобы температура в жилых помещениях не поднималась выше 27°С.

Хэггард [49] считает, что информацию, полученную при выполнении этой программы, можно использовать при исследовании архитектурных усовершенствований системы, которые позволят применять ее в других кли­матических условиях и для других обогреваемых объ­емов. Сюда относятся разработки конструкций много­этажных зданий с изоляцией, передвигающейся по па­зам на обращенных к югу стенах, и складными изоля­ционными пацелями на плоских крышах.

Франция. Французская программа исследований в области строительства солнечных домов начала осуще­ствляться в 1956 г. [39—41], когда была запатентована система, использующая принцип «стены Тромба». Инте­ресно отметить сходство между этой системой и систе­мой, описанной профессором Моурзом 100 лет назад [42]. Основная идея заключается в том, что массивные обращенные к югу стены обычно выполненные из бето­на, окрашиваются в черный или какой-либо другой цвет, обеспечивающий сравнительно высокую поглощатель­ную способность, например в красный, темно-зеленый или темно-синий, и покрываются снаружи стеклом та­ким образом, чтобы между стеклом и стеной оставался воздушный зазор. Стена является одновременно коллек­тором и аккумулятором тепла. Солнечная радиация про­никает сквозь стекло, поглощается покрытием и нагре­вает стену. Поскольку длинноволновое излучение при отражении от стены задерживается стеклом, воздух между стеклом и стеной нагревается. Проходы в верх­ней и нижней частях стены дают возможность нагрето­му воздуху поступать в комнату на уровне потолка, а холодному воздуху уходить из помещения на уровне пола, как это показано на рис. 4.14. Охлаждение "в лет­ний период осуществляется с помощью клапанов, рас­положенных в верхней части стены, через которые на­гретый воздух выбрасывается в атмосферу, и клапана, находящегося в задней части здания и обеспечивающе­го поступление холодного воздуха. Толщина стен сос­тавляет обычно от 300 до 400 мм. Внутри стен можно разместить другие аккумулирующие системы, такие как водяные баки или химические аккумуляторы, действу — 7—-1240 97

ющие на основе фазовых превращений. Прото-1 типы этих домов, построенные в Одейо, внещ — не выглядели достаточно непривлекательно, посколь­ку из-за плохой изоляции имели на южном фаса­де очень маленькие окна. В более поздних проектах от­ношение площади коллектора к объему дома составля-

ет 0,1 м2/м3, а в современных постройках трудно по Я

внешнему виду отличить солнечные коллекторы от окон. Щ Согласно описанию самый последний солнечный дом Я имеет в целом внешний вид обычного здания.

Французы подсчитали, что такая система может* обеспечить от 60 до 70% отопительной нагрузки в сре-Я диземноморском климате, таком как в Одейо, и от 35 Я до 50% в менее благоприятном климате. Основные пре-Я имущества данной системы состоят в следующем:

отсутствует проблема гидравлического сопротивле-Я ния потоку, существующая в обычных водонагревате-1 | лях, установленных на крыше; 1

отсутствуют проблемы утечек;

отсутствуют проблемы, связанные с замерзанием теплоносителя.

ФРГ. Анализ энергопотребления в ФРГ показал, что около половины энергии расходуется в виде низ­копотенциального тепла, т. е. тепла на уровне тем­ператур ниже 100°С. Основная часть этого низкотемпе — 98
ратурного тепла, как и во мнргих странах Европы, ис­пользуется в частном секторе для отопления зданий и обеспечения горячего водоснабжения. Программа науч­ных исследований фирмы «Филипс» относится именно к этой области и содержит ряд мероприятий, которые должны обеспечить снижение потребления энергии от традиционных источников. К ним относятся:

снижение тепловых потерь через пол, потолки, сте­ны и окна;

использование отработанного тепла от различных систем бытового водоснабжения и воздуха, выбрасыва­емого из вентиляционной системы;

использование нетрадиционных источников энергии, которые не оказывают воздействия на окружающую среду, т. е. энергии земли и солнца;

разработка оптимизированных объединенных энерге­тических систем.

Экспериментальный дом, показанный на рис. 4.15, был построен в Аахене на территории научно-исследо­вательской лаборатории фирмы «Филипс» [43, 44]. Раз-

меры дома, меблировка и хозяйственные приспособле­ния были выбраны с расчетом на потребности средней немецкой семьи из четырех человек. Две ЭВМ «Филипс П855» моделируют энергетические потребности семьи, а. также регулирование различных систем и обработку всех данных. Основные конструктивные особенности

дома показаны на рис. 4.16. Особое внимание было уделено гибкости схемы, и поэтому можно осуществить множество различных комбинаций режимов работы сол­нечного отопления и аккумулирования при различных температурных режимах, а также сочетать работу сис­темы и теплового насоса, использующего в качестве хо­лодного источника отработанную воду или тепло почвы. 100

В табл. 4.3 приведены некоторые основные параметры оборудования дома с жилой площадью 116 м2, пло­щадью подвала 150 м2, площадью окон 23,5 м2 и общим объемом жилого помещения 290 м3.

Присоединенная нагрузка электрического теплового насоса составляет 1,2 кВт, а коэффициент трансформа­ции тепла в температурном диапазоне 15—50°С нахо­дится в пределах от 3,5 до 4.

Таблица 4.4

Потери тепла в домах с различной теплоизоляцией

ляцией. По сравнению с обычным домом суммарные тепловые потери снижаются в шесть раз, а по сравне’ нию с хорошо изолированным домом в три раза.

Для определения утечек тепла было принято, что воздух в доме полностью заменяется за один час, при этом для регулируемой вентиляции с 80% утилизации тепла. Принималась следующая структура среднегодо. вого потребления энергии для семьи из четырех чел.

Горячее водоснабжение. Посудомоечная машина и су­шилка, стиральная машина 3980 кВт-Д

Морозильник, холодильник…………………………….. 1095»кВті^И

Освещение, телевидение и другие электроприборы 1820 кВт-ч

Это дает в сумме 6895 кВт-ч, но при наличии в си­стеме теплового насоса, использующего отработанное тепло, только небольшая часть расхода энергии на го­рячее водоснабжение, составляющей 3980 кВт-ч, удо­влетворялась за счет внешней электрической сети. Ко­эффициент трансформации тепла, равный примерно 3, является достаточным, чтобы сэкономить 3000 кВт-ч, | таким образом требуется обеспечить только 3895 кВт-ч.

Для отопления и охлаждения может быть исполь­зована энергия земли.. В схеме отопления теплообмен­ник, представляющий собой заполненную водой пласт­массовую трубу длиной 120 м, был размещен под полом подвала, при этом с помощью теплового насоса мощ­ностью 1,2 кВт можно было передавать тепло из почвы, которая имеет температуру около 7°С, в бак горячей воды при температуре 50°С. Охлаждение обеспечивает­ся при умеренном расходе энергии, поскольку воздух прогоняется сквозь полую шлакокирпичную стенуТна уровне подвала. Солнечные коллекторы встроены в об­ращенную к югу крышу, как показано на рис. 4.15, на­клонены под углом 48° к горизонтали и занимают пло­щадь 20 м2. Корпус каждого из 18 коллекторов содер­жит 18 цилиндрических вакуумированных стеклянных трубок, которые были описаны в предыдущей главе По предварительным расчетам, выполненным с поМО; щью ЭВМ, коллектор площадью 10 м2 может восп|0; нимать ежегодно от 10 000 до 12 000 кВт-ч солнечн$ энергии, что превышает суммарное энергопотреблен? е на отопление дома.

Дом фирмы «Филипс» является одним из нескор’ ких отлично оборудованных экспериментальных солні4′
ных домов, которые в настоящее время проходят про — верКу в Европе. Особенно интересно будет сравнить по­датели этого дома с показателями значительно менее дорогого, но с архитектурной точки зрения более ИЗЯ­ЩНОГО солнечного дома в Гранаде.

проекта, предложенного Пайком из отделения архитек­туры Кембриджского университета в 19^1 г., являлось достижение полного самообеспечения или удовлетворе­ния собственных энергетических нужд [35, 36]. Исходя из предположения, что на протяжении следующих деся­ти лет цены на нефть, газ, электричество и продоволь­ствие могут возрасти в четыре раза, что площадь част­ных земельных участков может увеличиться до 0,4 гек­тара в расчете на одну семью и что трехдневная рабо­чая неделя может стать нормой, он решил, что в семь­ях может возникнуть стремление самообеспечиваться — энергией, водой и продовольствием. Исследования, вы­полненные с помощью ЭВМ отделом технических ис­следований под руководством Пайка, показали, чтя существование такого дома теоретически возможно] В расчетной модели учитывался генератор с приводом от ветродвигателя, а также занимающий всю поверх-^ ность обращенной к югу крыши солнечный коллектор] из которого вода поступала в расположенный в подва­ле бак-аккумулятор емкостью 40 м3. Главной отличиї тельной чертой проекта является возврат к идее «вик­торианской оранжереи», поскольку примерно половина всего объема под застекленной крышей образует закры] 90

тую веранду, простирающуюся над всей обращенной к югу частью дома. В холодный период это пространство может быть отделено от жилых и спальных помещений изолированными ставнями.

Расчеты, основанные на имеющихся данных по сол­нечной радиации и скорости ветра, показали, что 25% солнечной радиации, падающей на крышу, может быть использовано для отопления внутренних помещений. Эта цифра значительно ниже, чем можно было ожи­дать, но при моделировании на ЭВМ предполагалось, что вода, проходящая через солнечные коллекторы, ис­пользуется только в тех случаях, когда ее температура нj выходе из коллектора превышает температуру воды в баке-аккумуляторе. Воду в бак-аккумуляторе можно подогревать также за счет электроэнергии, вырабаты­ваемой ветрогенератором, в тех случаях, когда она не используется для удовлетворения других бытовых энер­гетических нужд, и в основном при моделировании рабочих режимов в зимний период принималось, что большая часть отопительной нагрузки обеспечивалась тепловым насосом с^ириводом от ветрогенератора. В ра­боте выполнено подробное моделирование большого числа рабочих режимов предварительного проектного варианта системы, но отсутствие к концу 1976 г. кон­тракта с какой-либо фирмой помешало перейти к уточ­нению схемы.

Солнечный дом в Гранаде. В январе 1976 г. Гранад­ская телевизионная компания продемонстрировала се­рию передач о переоборудовании старого дома в обо­греваемый за счет солнечной энергии дом с четырьмя спальнями. Были рассмотрены также многие вопросы экономии энергии, в которых нашли отражение наибо­лее сложные результаты научных исследований в обла­сти строительства солнечных домов, такие как исполь­зование тепла отработанной горячей воды и вентиляци­онной системы. Испробованы различные типы изоляции, включая мат из стекловолокна толщиной 50 мм, плиту из пенополистирола толщиной 50 мм, обычное стеклово­локно толщиной 100 мм или полужесткую плиту раз­личных размеров [37] из минеральной ваты толщиной 100 мм, обшитую деревянными рейками и облицован­ную досками. Согласно Строительным правилам Вели­кобритании (1975 г.) максимальный годовой расход энергии на отопление дома должен составлять

45 230 кВт-ч, но если позаботиться о двойном остекле­нии и внимательно относиться к вентиляции, а также к изоляции, то его можно снизить до 21 910 кВт-ч. На рис. 4.10 графически представлен теоретический годо­вой энергетический баланс дома для средних погодных условий. Заштрихованный участок обозначает долю рас­хода энергии на отопление, обеспечиваемой от допол­нительного источника, и составляет 3680 кВт-ч при

температуре внутри жилого помещения 19,5° С и общим КГТД коллектора 30% • Доля различных источников тепла в обеспечении суммарной годовой отопительной нагрузки показана в табл. 4.1.

На рис. 4.11 показаны солнечная крыша в момент проведения на ней работ (юго-запад) и северо-западная сторона дома с пристройкой, крытой черепицей, в кото­рой размещены бак-аккумулятор емкостью 3000 л с на­гретой солнцем водой и бак-отстойник емкостью 200 л. Северо-западная сторона дома имеет только одно окно, в то время как на длинной северо-восточной стороне (рис. 4.12) расположены три окна. Обе эти фотографии 92

і

Рис. 4.11. Северо-западная сторона солнечного дома в Гранаде.

сделаны во время установки солнечной крыши. Крыша площадью около 45 м2, сконструированная в соответст­вии с идеями Томасона, выполнена из стандартного рифленого алюминия, окрашенного черной матовой ак­риловой краской, и закрыта одним слоем стекла тол­щиной 4 мм. Из горизонтальной перфорированной тру-

Та б л и ца 4-1

Доля источников тепла в обеспечении отопительной нагрузки
солнечного дома в Гранаде

бы, уложенной под коньком крыши, вода. стекает струй­ками вниз по каналам.

Характерной чертой дома является большая оран­жерея, размещенная на уровне первого этажа на юго — западной стороне. По воздуховодам, проходящим под окнами спальни второго этажа, нагретый воздух из этой оранжереи может поступать непосредственно^в

помещения верхнего этажа дома. Поскольку для отоп-Я ления этого дома требовалось обеспечивать дополни-* тельно всего 20% общей отопительной нагрузки, можної рассматривать его как дом, на 80% обеспеченный эиер-1 гией за счет использования энергии солнца. Более под* ровное описание струйного коллектора приведено* в гл. 8.

Солнечные дома Бюро строительных исследований! (БСИ). В Бартфорде были разработаны три экспериЯ ментальных дома [38] для изучения трех основных меЯ тодов снижения энергетических затрат, а именно:! использование солнечной энергии, применение тепловоД го насоса и регенерация отработанного тепла. В отлиЯ чиє от концепции фирмы «Филипс», которая описана! ниже, здесь выбор можно сделать при одновременном* изучении трех различных вариантов, причем БСИ пола-* гает, что не существует единственного лучшего универ-* 94
сального решения. Характеристики домов будут регист­рироваться при регулировании условий и имитации засе­ления. За основу при создании солнечного дома (и дома, использующего регенерированное отработан­ное тепло) будет принят двухэтажный дом с деревянным каркасом на пять человек типа «Бреттон» [47], под­робно изученный БСИ в рамках проекта районного отопления в Бреттоне, Питерборо. Деревянный каркас

этих домов изготавливается на заводе, а наружные сте­ны выполняются из кирпича и облицованы досками. Изоляция крыши и наружных стенных панелей имеет толщину 92 мм и обеспечивает значение суммарного ко­эффициента потерь U приблизительно 0,29 Вт/(м2-К). Крыша солнечного дома наклонена под углом 42° к го­ризонтали с целью получить более высокий среднегодо­вой КПД коллектора по сравнению с КПД,’ достигае­мыми в обычных домах типа «Бреттон» [47], у которых наклон крыши составляет 22,5°. Схема системы энерго­снабжения солнечного дома показана на рис. 4.13. К концу 1975 г. было опубликовано предварительное описание деталей проекта. Схема включала солнечную крышу площадью 22 м2 и хорошо изолированный бак, размещенный за пределами дома под землей. Отопле­ние осуществляется с помощью радиаторов, однако при­меняются радиаторы больших, чем обычно, размеров,

95

так что можно использовать воду при более низкой I температуре. Различные режимы работы выбираются в зависимости от того, какие условия являются преобла — I дающими. Когда бак-аккумулятор емкостью 35 м3 нахо-Ё дится при достаточно высокой температуре, радиаторы получают тепло от него. В других случаях они получаЯ ют тепло от изолированного бака емкостью 1 м3, кото-Я рый, в свою очередь, нагревается. с помощью неболь — I того электрического теплового насоса, включаемого в / сеть в ночное время и использующего бак-аккумулятор* емкостью 35 м3 в качестве низкотемпературного источ — [ ника. Система горячего водоснабжения для бытовых 1 нужд питается от бака-аккумулятора, емкость которого* 0,3 м3 является достаточной для 24 ч нормальной рабо-Я ты системы. Этот бак нагревается либо с помощью теп-1 лообмеиника, находящегося внутри бака-аккумулятора* либо с помощью небольшого теплового насоса, вклю-1 чаемого в сеть в ночное время. Особенность этой систе-Я мы с солнечным коллектором состоит в том, что энер-Я гия может быть передана в бак-аккумулятор емкостью* 35 м3 даже тогда, когда температура воды на выводе; из коллектора ниже, чем температура воды в баке-ак­кумуляторе. Это достигаемся благодаря использованию’ второго теплового насоса.

В табл. 4.2 сравнивается годовое потребление энер­гии тремя рассматриваемыми домами с обычным домом;

Таблица 4.2І

щ

типа «Бреттон» [47] и домом со специальной изоля­цией.

Количество первичной энергии получено умножени­ем указанных выше значений потребляемой энергии на коэффициент эффективности использования электро­энергии, газа и нефти. Относительно высокие значения первичной энергии, полученные для дома с тепловым насосом и для солнечного дома, являются следствием того, что в этих домах полезная энергия обеспечивает­ся почти исключительно за счет электричества.

Ш-»

Солнечный дом Куртиса. Показанный на рис. 4.8 первый солнечный дом в Великобритании был спроек­тирован архитектором Куртисом и построен в Рикман- суорте, близ Лондона, в 1956 г. [28, 29]. Тогда же Кур­тис поселился в нем и,’ вероятно, он может утверждать,

что он дольше, чем кто-либо другой, прожил в собст­венном солнечном доме. Этот дом явился результатом проведенных Куртисом в течение предыдущих лет иссле­дований в области проектирования жилых зданий и ре­гулирования условий в них, начиная от простых отопи­тельных устройств и кончая полным кондиционировани­ем воздуха. На стадии проектирования в качестве основного положения было принято, что регулирование условий внутри помещения должно осуществляться СИ — 84

стемой, использующей солнечную энергию и содержа­щей также тепловой насос и за счет этого обеспечива­ющей отопление и охлаждение, а также горячее водо­снабжение. Так же, как и другие исследователи, пытавшиеся применить идею солнечного отопления по­мещений в Великобритании, Куртис пришел к выводу, что без очень большой, хорошо изолированной тепло­аккумулирующей системы можно за счет солнечной энергии покрыть только определенную долю суммарной отопительной нагрузки. Общая цель разработки состоя­ла в обеспечении внутри помещения требуемой темпе­ратуры в течение всего года независимо от темпе­ратурных условий снаружи. При этом необходимо было учитывать требования эстетического харак­тера.

Участок, расположенный на вершине холма, возвы­шающегося над долиной, был выбран так, чтобы обес­печить требуемую ориентацию дома и отсутствие зате­нения. Основные помещения были расположены на юж­ной и западной сторонах, а на восточной стороне рас­полагались прихожая, лестничная площадка и две спальни. Конструктивно дом был выполнен следующим образом: между кирпичными торцами боковых стен за­креплялась специальная застекленная панель с деревян­ными переплетами. Чтобы лучше использовать поступа­ющую солнечную энергию, было решено обеспечить мак­симальную площадь стеклянной поверхности на фасаде, обращенном к югу, поэтому вся южная сторона за не­большим исключением состоит из стеклопакетов, содер­жащих два слоя прозрачного материала «плейгласс», закрепленного в деревянных рамах. Панели, обращен­ные к западу и северу, также имеют двойное остекле­ние. Кондиционирование воздуха круглый год обеспечи­вается тепловым насосом, для которого в качестве низ­котемпературного теплового источника сначала исполь­зовался воздух, а после реконструкции системы — вода. Куртис сообщает, что в течение первого года эксплуа­тации составлялся график продолжительности периодов солнечного сияния и было отмечено, что в течение но­ября и января наблюдались продолжительные периоды поступления прямой солнечной радиации, что способст­вовало постепенному прогреву помещения и обычно при­водило к увеличению эффективности работы системы в этот период. Распределительная система воздушного

атационных и тепловых характеристик пристройки, ко­торое было проведено под руководством Дэвиса из Ли — [ верпульского университета.

Главная солнечная стена целиком занимает обра — [ щенный к югу фасад здания и имеет длину 70 м и вы­соту 8,2 м. Из расчета общего теплового баланса было принято среднее значение U, равное 3,1 Вт/(м2-К). Большая часть стены имеет двойное остекление с про­межутком между стеклами шириной 600 мм. Однако каждый класс обеспечен двумя или тремя открывающи­мися окнами с одинарным остеклением. Ширина здания в направлении с севера на юг составляет приблизитель­но 11,5 м. Пол нижнего этажа состоит из 100-миллимет­ровых брусьев, уложенных на подушку из бетона тол­щиной 150 мм. Промежуточное междуэтажное перекры­тие выполнено из бетона толщиной приблизительно 230 мм, а крыша представляет собой бетонную плиту толщиной примерно 180 мм, над которой расположен слой вспененного полистирола толщиной 126 мм, соот — [ ветствующим образом защищенный. Оштукатуренные перегородки имеют толщину 230 мм. На северной сто­роне наружные стены на уровне первого этажа выпол — I йены из кирпича толщиной 230 мм с нанесенным снару­жи слоем полистирола толщиной 125 мм. Среднее зна — j чение U здесь составляет 0,24 Вт/(м2-К). На уровне по­ла наружная стена является частично глухой, а час­тично представляет собой солнечную стену, подобную стене на южной стороне. Общее значение U для здания составляет 1,1 Вт/'(м2-К). Единственными источниками тепла в классе пристройки являются обычно обитатели, электрическое освещение и солнечная радиация.

В старых школьных зданиях насчитывается такое же I число школьников, что и в пристройке (около 300 чел.), так что обе группы помещений можно сравнивать меж­ду собой.

В результате эксплуатационных испытаний установ — лено, что солнечное отопление обеспечивает экономию около 30% топлива, расходуемого на отопление школь­ных зданий обычного типа.

Дом в Милтон-Кейнсе. В 1973 г. Управление по ох — I Ране окружающей среды выдало субсидию на создание [ экспериментальной солнечной отопительной установки в L Новом районе Милтон-Кейнса под руководством Зоко — . Лея, ранее работавшего в отделе архитектуры при Поли-

техническом институте [33, 34]. Целью проекта было] проверить и доказать возможность применения солнеч-1 ного отопления в Великобритании. Один из сотни уже) построенных стандартных, расположенных террасой до-3 МОВ В Милтон-Кейнсе является В тепловом отношении ‘ весьма неэффективным зданием с умеренной изоляцией и фактически не обладает никакой тепловой инерцией. Совершенно ясно, что в будущих проектах солнечных домов в Великобритании следует предусматривать более і массивную конструкцию с существенно улучшенной теп-] лоизоляцией, но даже. при этих условиях эксплуатацион-1 ные характеристики такого дома вряд ли будут сравни-і мы с характеристиками аналогичного дома, но без сол4 нечной установки. Показанный на рис. 4.9 солнечный; дом, принятый в эксплуатацию в марте 1975 г., полно-! стью оборудован для продолжительных испытаний.

Особенность его проектирования заключалась в том, что на различных этапах работы для моделирования! почасовой передачи тепла для каждого дня в годуі широко использовалась ЭВМ. Хорошо известно приме-] 88

нєнне моделирования с помощью ЭВМ для многих раз­работок в США, однако в Великобритании этот пример, по-видимому, был первым в инженерной практике. Та­ким образом, можно было определить количество энер­гии, поступающей из коллектора в бак и из бака на отопление, а также при необходимости вклад источника дополнительной энергии. Разработанная программа была впоследствии усложнена путем введения некоторых дополнительных факторов, например температурной стратификации в баке-аккумуляторе. Предварительные расчеты показали, что в период с апреля по сентябрь отопительная нагрузка должна обеспечиваться полно­стью, а в декабре и январе менее чем на 30%. Расход энергии на горячее водоснабжение для бытовых нужд удовлетворялся с апреля по сентябрь на 70—85%, а в зимние месяцы это значение, естественно, значительно снижалось. В период продолжительного и очень жарко­го лета 1975 г. возникла проблема перегрева в спаль­нях. Сначала считали, что перегрев вызван тем, что непосредственно к спальням примыкали баки-аккумуля­торы, температура которых достигала 70° С. Однако впоследствии было установлено, что чрезмерное повы­шение температуры наблюДалось и в соседних обычных домах, так что эта проблема, вероятно, связана с кон­структивными особенностями этих домов. В оконча­тельном проекте приведены следующие данные: наклон крыши — 30° (при моделировании на ЭВМ получено зна­чение 34°), площадь солнечного коллектора — 37 м2 (в первоначальном проекте — 40 м2). Общая полезная площадь пола — 90 м2. Емкость бака-рккумулятора —

4,5 м3 (первоначально в проекте указана емкость 5,2 м3), изоляция толщиной 100 мм выполнена из стек­ловолокна.

Солнечные дома в Хайр-Бебингтоне. Появившееся в феврале 1975 г. сообщение о проекте строительства де­вяти обогреваемых солнцем домов в Хайр-Бебингтоне близ Ливерпуля вызвало большой интерес, поскольку разрешение на разработку получил городской совет ок — круга Виррэл, который ранее успешно принимал уча­стие в создании пристройки к школе Св. Георгия. Про­ект является результатом совместной работы стеколь­ной фирмы «Братья Пилкинтон» и Технологического университета Лоуборо и будет финансироваться Управ­лением по охране окружающей среды.

Дома будут построены из кирпича высокой плотно­сти с двойным остеклением одной из наружных стен. Эта стена будет поглощать солнечное излучение и пере — излучать его внутрь дома. Эксплуатационные характе­ристики девяти таких домов, обогреваемых за счет сол­нечной энергии, будут сравниваться с — характеристика­ми пяти обычных домов, построенных на том Же участке. По предварительным расчетам экономия энер­гии должна составить от 30 до 60%• Предусмотрено регулирование поступления тепла от стены внутрь жи­лого помещения. Каждый из девяти домов будет иметь независимую систему охлаждения с вентилятором для улучшения естественной вентиляции и снижения влия­ния избыточного поступления солнечной радиации в летний период. Дома должны быть хорошо изолирова­ны и оборудованы герметичными двухслойными стекло­пакетами в каждом окне. На одном из солнечных и одном из традиционных домов будет установлен также плоский солнечный коллектор для снабжения горячей водой.

Солнечный дом 1 (МТИ). Построен в 1939 г., состо­ял из двух помещений — служебного и лабораторного общей полезной площадью 46,5 м2 [2, 9, 10, 11]. Боль, шая часть крыши, наклоненной под углом 30° к югу, представляла собой коллектор с тройным остеклением общей площадью 37,9 м2 и площадью теплоприемной поверхности 33,45 м2. Поглощающая поверхность была выполнена из зачерненного медного листа с припаян­ными параллельными медными трубами. В подвале размещался большой бак-аккумулятор горячей воды емкостью 65,86 м3 со средней толщиной изоляции 665 мм. В отношении тепловых характеристик. здание было спроектировано так, чтобы соответствовать шести­комнатному дому с умеренной изоляцией. Это было первое здание, полностью обогреваемое за счет солнеч­ной энергии, поскольку тепло, накапливаемое в летний период, могло быть использовано зимой, однако такой способ признали неэкономичным и разрушили здание в 1941 г.

Солнечный дом II (МТИ). В 1947 г. было построено одноэтажное лабораторное здание с размерами прибли­зительно 4,26X13,4 м и высотой 2,44 м; солнечный кол­лектор, состоящий из семи отдельных панелей, площа­дью 10 м2 каждая, располагался на южной стене под] углом к вертикали [9, 10, 12]. Были исследованы раз­личные типы аккумулирующей системы, а в период 1947—1949 гг. на базе этого дома был создан дом III.

Солнечный дом III (МТИ). На крыше дома, равно- го по площади дому II, был смонтирован коллектор с двойным остеклением и поглощающей системой, выпол-J ненной, как в доме I [9, 10, 11]; его площадь составля-j ла 37,2 м2 при наклоне коллектора 57° к горизонту. Ак-| кумулятором служил цилиндрический бак емкостью]

4,5 м3, установленный на чердаке. В период четырехъ зимних месяцев система обеспечивала 85% энергии на] отопление помещений, а впоследствии 90%. В 1955 г. дом сгорел.

Солнечный дом IV (МТИ). Построенный в.1959 г. дом [9—11], который показан на рис. 4.1, считался уни­кальным [14], поскольку он проектировался именно как; j солнечный дом, т. е. так, чтобы в нем по возможности]

] наиболее полно использовалась поглощаемая энергия,.

были сведены до минимума энергетические потери, что­бы он по комфорту отвечал требованиям, предъявляе­мым к современному жилищу. Дом представлял собой двухэтажную постройку полезной жилой площадью 134,7 м2. Часть южной стены дома представляла собой солнечный коллектор площадью 59,5 м2, расположенный под углом 60° к горизонтали. Коллектор с двойным ос­теклением был переделан: к зачерненному алюминиево­му листу, суммарная поглощательная способность кото­рого составляла согласно измерениям 0,97, были меха­нически прижаты медные трубки. Хорошо изолирован­ный водяной бак-аккумулятор имел емкость 5,7 м3. В пе­риод эксплуатации обитатели дома старались не изме­нять своих привычек и образа жизни, не приспосабли­ваться к солнечному отоплению, так что хозяйка зани­малась мытьем посуды и стиркой тогда, когда это было ей удобно, а не только тогда, когда сияло солнце. В течение зимнего сезона, с 30 сентября 1959 г. по 30 марта 1960 г., 44% нагрузки на отопление помеще­ния и 57% нагрузки на горячее водоснабжение для бытовых нужд удовлетворялось за счет системы сол-

нечного энергоснабжения. Это было значительно мень-1 ше расчетных эксплуатационных характеристик, что| объяснялось суровыми погодными условиями, которыми! в том году характеризовался зимний период. Через два^ года эксплуатационные трудности заставили отказать-1 ся от этой системы, хотя при ее использовании в тече-1 ние двух зим 48% суммарной нагрузки обеспечивалось за счет солнечной энергии.

Солнечный дом в Доувере. Система солнечного отоп­ления первого дома, который должен был полностью обогреваться за счет солнечной энергии, разработана; Телкес [3, 9, 10], являвшейся в то время соискателей при МТИ. Проект дома, показанного на рис. 4.2, выпол! нен бостонским архитектором Э. Раймонд. Строитель­ство осуществлено в рамках частного проекта на сред-] ства А. Пибоди в Доувере (штат Массачусетс); впервые! дом был заселен в сочельник 1949 г. Вертикально рас-1 положенный воздушный коллектор с двойным остекле-1 нием площадью 66,89 м2 занял целиком южный фасад! двухэтажного здания на уровне второго этажа. Каждая! панель коллектора содержала два оконных стекла раз-Я 70

мерами 3,28X1,22 м, разделенных воздушным зазором шириной 19 мм. Поглощающая поверхность была вы­полнена из стандартных листов оцинкованной стали, окрашенных обычной черной матовой краской. Позади каждого листа имелся воздушный промежуток шириной 76 мм, по которому мог циркулировать воздух по на­правлению к трем теплоаккумулирующим бункерам. В этих бункерах общим объемом около 13,3 м3 находи­лись сосуды с глауберовой солью — декагидратом серно­кислого натрия Na2S04- 10Н2О. Телкес ясно понимала, что если принять для аккумулирования тепла на про­должительные периоды воду или камни, то основная трудность будет состоять в том, чтобы найти достаточ­но большое пространство для размещения аккумулято­ра, и предложила использовать скрытую теплоту плав­ления или растворения химических соединений, напри­мер глауберовой соли с температурой плавления около 32° С; запас тепла был при этом приблизительно в шесть или семь раз больше, чем в водяном аккумулято­ре того же объема. Обогревался только нижний этаж площадью 135,3 м2, причем тепло из аккумулятора по­давалось в комнаты с помощыр небольших вентилято­ров, которые управлялись индивидуальными терморе­гуляторами. Исходная энергоемкость аккумулятора была рассчитана на покрытие тепловой нагрузки в про­должение 12 дней в зимний период. В течение первого года эксплуатации система солнечного отопления пол­ностью обеспечивала тепловую нагрузку, затем, однако, характеристики ухудшались вследствие расслоения фаз, необратимости теплового эффекта при плавлении и пере­охлаждения соли, так что через некоторое время потре­бовался источник дополнительного тепла. Через четыре года, когда дом был расширен, солнечную отопительную систему ликвидировали, но к тому времени были уста­новлены некоторые очень важные особенности этой схемы:

эффективность применения солнечного воздушного коллектора, имеющего простую конструкцию — и являю­щегося одновременно тепловым коллектором и стеной. Такое использование коллектора в качестве стены или части крыши было характерной чертой большинства последующих конструкций солнечных домов;

преимущество наличия регулируемых температур­ных зон в различных частях дома. Это обстоятельство

не учитывалось во многих более поздних проектах, нс! впоследствии снова была подтверждена его важности для экономии энергии;

большая энергоемкость теплового аккумулятора не-| большого объема, котора*я обеспечивалась за счет скры-1 той теплоты плавления солей. Проблему расслоения фаз* при повторении циклов еще предстояло решить, И ЭТ(Я оказалось одной из наиболее трудных проблем в прак-1 тике применения солнечной энергии для отопления.

Бунгало «Блисс-Хауз». Имевшееся в Амадо (штаті Аризона) одноэтажное бунгало полезной площадью» 62,43 м2 было в 1954—1955 гг. реконструировано и снабЯ жено солнечной воздушной отопительной системой с каЯ менным аккумулятором [15]. Коллектор с одинарным! остеклением состоял из четырех слоев черной хлопчаЯ тобумажной ткани с зазором между слоями — шириной!

12,5 мм. Он имел площадь 29,26 м2 и был установлені вплотную к бунгало под углом 53° к горизонтали. Ак-Я кумулирующая система из камней диаметром 100 мм,1 общей массой 65 т и объемом приблизительно 36,8 м3| была расположена также вблизи бунггЫо в изолирован-! ной подземной камере. В процессе эксплуатации при со-Я ответствующем уровне радиации воздух подавался вен-1 тилятором из коллектора в аккумулятор. По мере надоб-1 ности второй вентилятор снабжал дом воздухом либо! прямо из коллектора, либо из аккумулирующей системы.! Система полностью обеспечивала отопительную нагруз-1 ку бунгало в зимний период, и было объявлено, что! это — первый дом в США, отопление которого на 100% 1 обеспечивается за счет солнечной энергии. Для охлажЯ дения в летний период воздух в ночные часы прогонялЯ ся сквозь отдельную горизонтальную насадку, покрытую! черной тканью. Таким образом воздух дополнительно! охлаждался — примерно на 1° С, затем направлялся в аккумулирующую систему. В течение дня охлажденный* воздух можно было направлять в бунгало. Систему де-| монтировали после успешной эксплуатации в течение! немногим более года.

Интересной особенностью проекта было то, что ем! кость аккумулятора соответствовала десятидневному за-1 пасу тепла. Этого было вполне достаточно, поскольку в; зимний период солнце в течение одного дня обеепечива-j ло более чем двухдневную потребность в тепле. В более] северных широтах необходима значительно большая еэд!

7?

кость аккумулятора, чтобы Компенсировать существенно более низкий уровень солнечного излучения" в зимний период. Экономические показатели в то время были неблагоприятными, поскольку капитальные затраты ока­зались в пять раз больше, чем для обычных отопитель­ных систем, так что было невозможно возместить ка­питальные затраты и проценты на капитал количеством сэкономленного топлива — отношение капитальных за — тоат к стоимости сэкономленного топлива составляло 50:1. Невыгодность этого проекта являлась очевидной.

Административное здание в Альбукерке конструкции Бриджеса и Пэксона. Первое в мире административное здание, обогреваемое за счет солнечной энергии, было построено в Альбукерке (штат Нью-Мексико) и введено в эксплуатацию в августе 1956 г. [16, 17]. Полезная площадь здания составляла примерно 400 м2, и оно бы­ло снабжено обращенными к югу плоскими коллекто­рами, наклоненными к горизонтали под углом 60°, как показано на рис. 4.3. Эффективная площадь коллектора с одинарным остеклением равнялась примерно 70 м2, а емкость подземного изолированного бака-аккумулято­ра составляла 22,7 м3. Все элементы оборудования бы­ли стандартными, за исключением коллекторов, которые состояли из алюминиевых листов толщиной 0,476 мм, окрашенных неселективной черной краской, и медных труб с наружным диаметром 38 мм, припаянных к об­ратной стороне листов на расстоянии 150 мм друг от друга и образующих непрерывный контур, содержащий нагреваемую воду. В здание тепло подавалось с теплой водой, поступающей из бака-аккумулятора при темпера­туре около 40° С и проходящей по трубам, расположен­ным в напольных и потолочных панелях. Когда темпе­ратура воды в аккумуляторе оказывалась недостаточно высокой, чтобы можно было удовлетворить потребности здания в тепле, использовался тепловой насос.

Преимущества использования теплового насоса с солнечным коллектором были ясно изложены в первом сообщении о характеристиках здания [16]. В летний период тепловой насос может служить для охлаждения здания, причем такое его использование для двух це­лей является выгодным. В холодную и облачную лого­су можно допустить, чтобы температура коллектора и аккумулятора сильно понизилась, и получить в резуль­тате повышение эффективности работы коллектора и

73

увеличение энергоемкости аккумулятора. Использова­ние теплового насоса позволяет также устанавливать коллектор и бак-аккумулятор меньших размеров. В пер­вый сезон эксплуатации прямое солнечное отопление удовлетворяло 62,7% суммарной отопительной нагрузки, а оставшиеся 37,3% обеспечивались тепловым насосом. Следует подчеркнуть, что даже при работе теплового насоса главным источником тепла оставались солнечные коллекторы. Количество энергии, расходуемой тепловым насосом на собственные нужды, составляло только 8,2% ] суммарной отопительной нагрузки. Интересно отметить, что при существовавших в то время (1956—1957 гг.) ] ценах на топливо экономия средств на отопление не воз — ] мещала необходимых начальных издержек на солнечные і отопительные системы в большинстве районов США. Но 1 всегда можно найти такие районы, в которых высокие ] цены на топливо обусловливают экономическую целесо — і образность использования солнечных отопительных си­стем. Система в своем первоначальном виде работала j около шести лет с отдельными случайными неисправ — I ностями, такими как, например, повреждение, вызван — ] 74

ное неполным дренированием системы во время моро­за. Повреждались также гибкие резиновые трубчатые соединения.

Система солнечного отопления была восстановлена в рамках проекта ЭРДА [3] в 1974 г. [17]. Принципиаль­ное изменение состояло в том, что для устранения про­блемы замерзания самодренирующаяся система была заменена системой, содержащей водоэтиленгликолевый теплообменник, насос и сеть трубопроводов; кроме то­го, были добавлены пять небольших компактных водо­воздушных тепловых насосов, которые должны исполь­зовать энергию теплой воды, циркулирующей в здании, и нагнетать нагретый воздух в комнаты. Главной целью проекта является получение обобщенных данных для проектирования солнечных энергетических систем с теп­ловыми насосами, необходимых архитекторам и инже — нерам-консультантам.

Дом Мэтью, Кус-Бей (штат Орегон). Этот дом был спроектирован и построен владельцем Мэтью в 1966— 1967 гг. и является лучшим для того времени примером солнечного дома, построенного частным образом [18— 20]. Многие важные конструктивные особенности, при­сущие этому дому, могут быть использованы при созда­нии солнечной отопительной системы любого дома. Он также обладает классической простотой первых солнеч­ных домов; так, жилые комнаты и кухня расположены на южной стороне, чтобы использовать солнце в зим­ний период, а в летний период эти помещения затеня­ются длинным навесом. На рис. 4.4 показаны системы солнечного отопления этого дома. Коллектор высотой

1,5 м и длиной 24,4 м, подробно описанный в гл. 8, расположен на крыше и для увеличения эффективно­сти работы снабжен рефлектором, выполненным из обычной алюминиевой фольги, приклеенной кровель­ным компаундом. Вода из главного бака-аккумулятора прокачивается по трубопроводам насосом мощностью 184 Вт, который включается в работу с помощью тер­морегулятора, установленного на крыше. Из трубопро­водов вода сливается в 170-литровый расширительный бак, а затем в бак-аккумулятор, если насос не работает. Бак-аккумулятор имеет изоляцию только со стороны

расположенного над ним подвала и не изолирован от почвы, прилегающей к боковым стенкам и днищу. Та­ким образом, в некоторые периоды года в почве может аккумулироваться или теряться значительное количе-. ство тепла. Так, в сезон 1974—1975 гг. было отмечено] аккумулирование тепла в осенний период. На крупных

тепловых магистралях, соединяющих отсек бака-акку­мулятора с жилым помещением, расположены изолиро­ванные заслонки, которые управляются терморегулято­рами, так что летом отопление можно полностью от­ключить. Вентиляторы для принудительной циркуляции воздуха отсутствуют. Стоимость материалов, включая стальной бак-аккумулятор емкостью 30 м3 и коллектор, составляла в 1967 г. менее 1000 долл. Сооружение бака, с которого Мэтью начал строительство, заняло пять не­дель, на остальную систему потребовалось восемь не; дель. В январе 1974 г. к системе был присоединен отдельно стоящий коллектор площадью 30 м2, смонти­рованный приблизительно на расстоянии 20 м от дома.

Следует обратить внимание на ряд особенностей соЛ> нечного дома Мэтью:

дом был построен из стандартных деталей без спе­циальной изоляции, хотя солнечное отопление преду­сматривалось с самого начала;

дом расположен сравнительно далеко на севере (42°,5 с. ш.) в районе, известном сплошной облачно­стью в зимний период;

, сочетание почти вертикального солнечного коллекто­ра (82° к горизонтали) с почти горизонтальной отража­ющей поверхностью (8° к горизонтали);

относительно большая (30 м3) емкость бака-аккуму­лятора;

сочетание установленного на крыше и отдельно сто­ящего коллекторов с большими размещенными перед ними отражающими поверхностями.

Опубликованы подробные результаты, полученные в период 1974—1975 гг. [18], из которых следует, что 85% суммарных потребностей в тепле на отопление удовлет­ворялось за счет аккумулированной солнечной энергии. Семья Мэтью допускала, чтобы температура внутри по­мещения падала ниже проектного значения 21° С, по­скольку поступления тепла из коллектора и бака-акку­мулятора уменьшались в течение зимы.

Дома Томасона. Первый дом, спроектированный То­масоном, был одноэтажной постройкой с подвалом и аккумулятором, установленным под покатой крышей [21—24]. Построенный в 1959 г. в Вашингтоне (округ Колумбия) дом имел коллектор площадью 28 м2 при общей жилой площади 139 м2. Томасон одним из пер­вых конструкторов применил простую и относительно недорогую коллекторную систему струйного типа, в ко­торой вода из бака-аккумулятора направляется в гори­зонтальную распределительную трубу в верхней части коллектора. В первом варианте системы в качестве поглощающей поверхности использовался черный гоф­рированный алюминий и коллектор имел два слоя про­зрачной изоляции — один из стекла, а другой — из про­зрачной полиэфирной пленки. Вода, вытекающая через отверстия в распределительной трубе, попадала непо­средственно в расположенные против них канавки в гофрированном листе. Нагретая вода собиралась в от­крытом желобе, расположенном в основании коллекто­ра, и возвращалась в бак-аккумулятор. Аккумулятор представлял собой водяной бак емкостью 6,1 м3, вокруг которого размещалось 50 т гальки диаметром 100 мм. Система нагрева воды для бытовых нужд включала 1000-литровый подогреватель. Энергоемкость аккумуля­тора в системе обеспечивала примерно пятидневный

запас тепла на отопление, и утверждалось, что система) I солнечного отопления удовлетворяла 95% отопительной нагрузки. Для охлаждения в летний период вода в ноч-11 ные часы направлялась по неостекленным, обращен-1 ным к северу каналам, расположенным на крыше, и ‘ охлаждалась за счет испарения, конвекции и излу-|1 чения.

Второй дом, также сооруженный в Вашингтоне (ок-Я руг Колумбия) в 1961 г., имел коллектор площадью! 52 м2 и отапливаемое жилое, помещение площадью 1 63 м2. Полностью похожий по замыслу на первый дом, Я он получал большее количество тепла за счет горизон-1 тальной алюминиевой отражающей поверхности пло-1 щадью 31 м2, находившейся у основания обращенного! к югу коллектора. В третьем доме Томасона, построен-! ном в 1963 г., бак-аккумулятор использовался одновре-! менно в качестве закрытого обогреваемого плавательно-! го бассейна, а система коллекторов была полностью! смонтирована на крыше таким образом, что солнечное! излучение в зимний период непосредственно попадало! через окна в жилую комнату и плавательный бассейн,! расположенный на южной стороне. Четвертый дом ни-! когда полностью не испытывался. Дома с пятого по| седьмой были описаны в 1973 г. [23], но только шестой,! частично отапливаемый роскошный дом в Мехико-Сити был полностью построен.

Проект седьмого дома включал расположенный на | крыше мелководный водоем-коллектор с отражателем.! Каждую ночь нагретая вода могла стекать в теплоак-1 кумулирующую емкость в подвале и нагревать пол и! жилое помещение. По утрам маломощный насос пода-! вал воду на крышу. В летний период система могла ра-1 ботать на охлаждение помещения, однако в каждом! конкретном случае применения такой системы требуют-! ся детальные проектные проработки.

Два других дома были построены в графстве Прин-1 ца Георга, в нескольких километрах от Вашингтона.! В одном из этих домов [24] были внесены некоторые! изменения в аккумуляторную и коллекторную системы,! испытанные в предыдущих домах. Главное изменение! состоит в том, что камни, окружающие горизонталь-! ный цилиндрический водяной бак-аккумулятор емко-1 стью 16,1 м3, в зимний период также могут нагреваться! через систему медных труб нагревателем, работающим!

на жидком топливе. Кроме того, через каменный акку­мулятор проходят две вытяжные трубы из парового котла, по которым в зимний период отводятся отрабо­танные газы.

Конструкции домов Томасона широко изучаются, и во многих новых проектах солнечных домов реализу­ются идеи, заимствованные из этих систем.

Солнечный дом «Солар-1» (проект Делаверского университета, США). «Солар-1» был построен в 1973 г. и представлял собой первый дом, в котором сочета-

лось тепловое и фотоэлектрическое преобразование сол­нечной энергии в одной и той же коллекторной систе­ме [25, 26]. Другой яркой отличительной чертой дома является попытка широкого использования теплоты плавления для теплового аккумулирования. Для пере­дачи тепла из коллекторов используется воздух, а меж — *У «холодной» и «горячей» аккумулирующими система­ми имеется тепловой насос. Основные идеи такого под — *°Да изложены в отчете [26], в котором отмечается, 7го Для применения в быту требуется энергия различ­ного качества — низкопотенциальная тепловая энергия

для отопления или кондиционирования воздуха, высоко — потенциальная тепловая энергия для горячего водо! снабжения, приготовления пищи и питания холодиль­ников, а также электрическая. энергия для освещения и питания бытовых электроприборов. Превращение од­ного вида энергии в другой всегда связано с потерями энергии, поэтому желательно обеспечить возможно большее разнообразие видов энергии при преобразова­нии солнечной энергии. Поскольку в начале 70-х годоз не было данных, необходимых для оптимизации подоб­ных систем, дом был спроектирован таким образом, чтобы максимально обеспечить возможность экспери­мента. Поперечное сечение дома показано на рис. 4.5. Главное одноэтажное жилое помещение состоит из го­стиной, двух спален, ванной!

__ ^ / J f> комнаты и кухни. В север-‘

ной части Дома расположен; гараж. Поскольку дом был построен для того, чтобы получить эксплуатационные характеристики каждого элемента системы, а также оптимизировать систему и повысить эффективность тепловых и электрических плоских коллекторов, дом не был заселен. Подробное изучение характеристик всей системы с целью опти­мизировать отношение пло­щади коллектора к объему аккумулятора и объема ак­кумулятора к жилой площа­ди дома не было проведено.

Двадцать четыре коллек­тора, каждый размерам!? 1,2×2,43 м, были установле­ны на крыше, наклоненной под углом 45° к горизонта^ ли и обращенной на 4,5° к западу от южного направления. Три коллектора были заполнены солнечными элементами из сульфата кадя мия — сульфида меди CdS/Cu2S, изготовленными в пе-[ риод с 1968 г. по 1970 г. компанией «Клевит-ГолД

Корп».Сто четыре элемента соединялись последователь­но в батарею и в каждый коллектор устанавливались по три такие батареи. Электрическая мощность могла со­ставить примерно 30 Вт/м2 при максимальной интенсив­ности солнечного излучения (КПД около 3%). В прост­ранстве под солнечными элементами циркулировал воздух. Для улучшения теплоотдачи к воздуху исполь­зовались ребра. Естественная вентиляция в летние ме­сяцы оказалась почти достаточной для поддержания температуры солнечных элементов ниже максимально допустимого значения рабочей температуры (65° С). При температуре солнечных элементов 49—65° С и тем­пературе окружающей среды от —18 до +10° С тепло­вая эффективность работы коллектора составляла 50— 70%. Поперечное сечение коллектора показано на рис. 4.6. К июню 1975 г. было испытано 16 коллекторов различных типов. Все они имели одинаковое остекление и корпус, но отличались типом селективной поверхности, расположением и геометрией ребер. Следующим шагом в моделировании было использование дополнительного источника энергии, эквивалентного по мощности тепло­вому и электрическому коллектору, занимающему цели­ком всю крышу, эффективная площадь которой состав­ляет 57,6 м2. Исследовались также шесть вертикальных обращенных к югу тепловых воздушных коллекторов, каждый размерами 1,2X1,83 м, теплоприемные поверх­ности которых предполагалось первоначально выполнить из простых алюминиевых листов с черным селективным покрытием.

Теплоаккумулирующая система занимает относитель­но небольшой объем, приблизительно 6,12 м3, и состо­ит из двух внешних вертикальных контейнеров из пла­стика, в которых находится пентагидрат тиосульфата натрия Na2S203-5H20, имеющий температуру фазового перехода, равную 49° С. В центральный контейнер поме­щается эвтектика солей, главным образом декагидрат сульфата натрия Na2SO4-10H2O с температурой фазово­го перехода 12,8° С, уложенный в трубы диаметром 31,75 мм и длиной 1,83 м. Внешняя система является «горячим» аккумулятором, в то время как центральная труба является «холодным» аккумулятором. В обеих системах циклы сменяются совершенно независимо от системы солнечного отопления. Емкость этих аккумуля­торов достаточна, чтобы покрыть трехдневную отопи — 6—1240 81

тельную нагрузку в зимний период или однодневную нагрузку на охлаждение в летний период.

Солнечный дом в Туксоне. Этот дом был построен в 1975 г. на основе проекта Ассоциации медной промыш­ленности [27]. Ассоциация объявила, что в противопо­ложность чисто экспериментальным зданиям он явля­ется первым «реальнцм» домом и согласно оценкам в нем за счет использования солнечного излучения удов­летворяется 100% отопительной нагрузки и до 75% нагрузки на охлаждение. Дом, почти целиком обеспе­чивающий себя необходимой энергией, был построен с целью продемонстрировать, что все основные детали и материалы, необходимые для его сооружения, имеются по конкурентоспособным ценам. Кроме того, особен­ность такого дома заключается в том, что его строи­тельство может быть осуществлено любым компетент­ным местным строительным подрядчиком. На рис. 4.7 показан этот дом с встроенным в крышу медным сол­нечным коллектором* имеющим двойное остекление. 82

Панель коллектора состоит из уложенных в корпус из фанеры медных листов размерами 1,2×2,44 м, с при­крепленными к ним прямоугольными медными труба­ми, по которым вода поступает в изолированный бак — аккумулятор емкостью 11,4 м3. Детальный экономиче­ский анализ еще не опубликован, но Ассоциация заяви­ла, что за счет экономии топлива встроенная в крышу система солнечных коллекторов окупится примерно за 10 лет.

Охлаждение обеспечивается двумя стандартными бромистолитиевыми абсорбционными агрегатами, пере­деланными так, чтобы использовать в качестве теплово­го источника нагретую солнцем воду. Абсорбционные установки такого типа для кондиционирования воздуха существуют уже в течение нескольких лет, но только недавно стало экономически выгодным их применение в жилых домах, поскольку они всегда обеспечивают без­аварийную работу в течение требуемого длительного пе­риода эксплуатации. В крышу также встроены кремние­вые фотоэлектрические элементы для удовлетворения различных незначительных энергетических потребностей, например таких, как низковольтное питание небольшо­го телевизора или кухонных часов. Кроме того, солнеч­ные элементы обеспечивают питание всей системы без­опасности дома в случае отказа электрической сети.

Крыша пристроенного флигеля, которая наклонена под углом 40° к горизонтали, обеспечивает солнечный подогрев воды в плавательном бассейне в весенний и осенний периоды. В летний период она используется в качестве простой охлаждающей системы, поскольку в ночные часы вода из бассейна может, стекая по кры­ше, излучать тепло в воздух, и за счет этого в дневные часы в бассейне поддерживается удовлетворительная температура. Крыша главного дома наклонена под уг­лом 27° к горизонтали, чтобы условия восприятия сол­нечной радиации в летний период были оптимальными и обеспечивали относительно большое количество энер­гии, необходимое для работы абсорбционной охлажда­ющей системы. Кроме того, защита от нежелательного поступления тепла в летний период осуществляется с помощью двух слоев специальных солнцезащитных сте­кол бронзового оттенка, вставленных в окна, располо­женные на стороне дома, обращенной к плавательному бассейну.