Системы сбора солнечного тепла с использованием в качестве теплоносителя воздуха приемлемы для отопления помещений всех типов, особенно в тех случаях, когда не предусматривается или в незначительной степени используется охлаждение или подогрев воды для бытовых нужд.

Воздушные системы выглядят привлекательнее жидкостных, так как требуют меньше трубопроводов и деталей и поэтому менее дороги. Причиной сложностей с жидкостными системами являются:

• проблемы возможного замерзания жидкости в коллекторе;

• необходимость учитывать расширение жидкости при ее нагреве в системе, включая возможность мгновенного перехода жидкости в газообразное состояние;

• возможность протечки системы;

• коррозия металлических водопроводных труб.

Сравнительная простота воздушных систем притягательна для

людей, желающих простроить свою собственную систему, но, как со всеми системами сбора, хранения и использования солнечной энергии, их точный расчет труден, поэтому все системы, за исключением простейших, должны проектироваться специалистами, компетентными в вопросах механики и теплообмена. Тем не менее, воздушные коллекторы сравнительно легко содержать и ремонтировать. Вентиляторы, приводы демпферов и органы управления могут отказать, однако крупные узлы, в том числе коллектор, аккумулятор тепла и воздуховоды, как правило, имеют длительный срок службы.

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

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

Р. Блисс и М. Донован использовали черный четырехслойный хлопчатобумажный экран для изготовления теплоприемников, а д-р Дж. Леф применил зачерненные стеклянные пластины в своем доме в Колорадо; стеклянные пластины, на две трети перекрывают друг друга. Каждая пластина состоит из двух частей: черной и прозрачной. Черное покрытие получают путем нанесения черного стеклошлака на обычное оконное стекло и выдерживания его в обжиговой печи. Пластины закрываются сверху двумя слоями стекла. Четыре секции по 1,2 м располагаются в ряд с наклоном 60° от горизонтали. Первоначально из-за неправильного способа закрепления кромок стекло растрескивалось при расширении и сжатии. Способ закрепления был изменен и стекло не разбивалось. Если кромки стекла не защищены, пластина будет трескаться и, в конечном счете, раскалываться.

Разумеется, можно применять для теплоприемника и металлические пластины, он предпочтительнее для тех случаев, когда солнечная радиация поступает не на всю поверхность

теплоприемника, соприкасающегося с движущимся воздухом. Металл также способствует устранению "горячих мест", вызванных неравномерным потоком воздуха над поверхностью, распределяя избыточное скопление тепла на другие поверхности, а от них к воздуху. В своих исследованиях Дж. Д. Клоуз определил относительные преимущества размещения воздуховодов по отношению к светонепроницаемым металлическим пластинам теплоприемников. Три основных конфигурации показаны на рис. 2.3:

• тип I, в котором воздуховод помещен между пластиковым

покрытием и поверхностью теплоприемника;

• тип II, в котором дополнительный воздуховод

располагается позади пластины теплоприемника;

• тип III, в котором отсутствует верхний воздуховод, а используется только воздуховод, расположенный за пластиной теплоприемника.

Рис. 2.2. Три конфигурации воздуховодов коллектора:

1 — воздуховод; 2 — пластиковое покрытие; 3 — теплоприемник; 4 — изоляция.

Воздухоподогреватель типа II имеет более высокий КПД, чем другие два типа, когда содержащийся в нем воздух и наружный воздух имеют примерно одну и ту же температуру. Однако при увеличении разности между температурой коллектора и температурой наружного воздуха лучшие характеристики будет иметь устройство типа III. Примерная схема воздушного коллектора, примененного в солнечном экспериментальном доме Института экономии энергии при университете шт. Делавэр, показана на

рис. 2.3.

Дж. Д. Клоуз сделал также вывод, что чем выше рабочая температура коллектора, тем большее значение приобретает коэффициент теплообмена между поверхностью теплоприемника и воздухом. В летний период, когда температура коллектора может быть лишь на 15…20°С выше температуры наружного воздуха, эффективность одного ровного металлического листа можно сравнить с эффективностью ребристой пластины или поверхности с V-образной волнистостью (рис. 2.4). Однако в районах с прохладным и холодным климатом, где разность температур коллектора и внешней среды может достигать 55°С, ребристая пластина на 5…10% эффективнее плоской пластины, а пластина с V-образной волнистостью — на 10… 15%.

Рис. 2.4. Пластина теплоприемника с V-образными волнами: 1 — угол раскрытия V-образной волнистости 60°.

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

Уиллиер показал, что при замене обычной сплошной пластины теплоприемника зачерненной проволочной или пластиковой сеткой, дающей возможность нижележащей поверхности воздуховода поглощать половину излучения, можно удвоить величину h (эффективный коэффициент теплопередачи между теплообменником и воздушным потоком), обеспечив увеличение отвода тепла на

10.. . 15%. Удовлетворительные значения h находятся в пределах

34.. .68 Вт/(м2*град). Предпочтительнее более высокие значения h при условии, что затраты на подкачку воздуха не становятся слишком высокими.

Поскольку теплоприемник можно изготовить из неметаллических материалов, вполне вероятно значительное снижение стоимости солнечных коллекторов, что стимулирует изготовителей исследовать эту альтернативу жидкостным системам с целью производства изделия, более конкурентоспособного по стоимости. К сожалению, с воздушными коллекторами проводилось сравнительно мало исследований.

Это объясняется главным образом традиционной приверженностью к жидкостным системам.

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

Устранить этот недостаток можно с помощью турбулентного потока, который рассматривается в двух масштабах. В

макромасштабе турбулентный поток можно проиллюстрировать завихрениями дыма, вдуваемого в какой-либо объем; эти завихрения легко наблюдать визуально. В микромасштабе тот же эффект должен иметь место непосредственно у поверхности теплоприемника.

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

Чтобы создать турбулентность в микромасштабе, поверхность также должна быть шероховатой с как можно большим количеством острых выступов. Примерами таких грубых поверхностей могут служить: слой, подобный мелкому гравию (рис. 2.5), воздушные фильтры для печей, ткань, сетка, пластина с пробитыми отверстиями.

1 — воздушный промежуток в 25…50 мм; 2 — полиэфирная смола, армированная стекловолокном; 3 — светопроницаемая изоляция (или второе стеклянное покрытие); 4 — черный металлический лист; 5 — пластмассовое покрытие; 6 — отражающая поверхность; 7 — стекловолокнистая изоляция толщиной

150.. .250 мм; 8 — декоративное покрытие.

потока воздуха через

Если к алюминиевому листу прикрепить тысячи миниатюрных волосков (или прямых шпилек, заделанных в его поверхность), эффективность теплопередачи еще более увеличиться благодаря большей площади поверхности и созданию микротурбулентности самими волосками. Еще больший эффект достигается, если алюминиевая пластина с волосками состоит из ряда отдельных секций, вызывающих макротурбулентность воздушного потока.

При турбулентности возникает перепад давления в коллекторе. Сложная конфигурация поверхности и множество препятствий воздушному потоку требуют установки достаточно мощного вентилятора, а, следовательно, и большего расхода энергии для создания воздушного потока. Необходимая для этого энергия может свести на нет экономию от использования солнечной энергии, особенно, если вентилятор работает на электричестве и, если учитывается количество топлива, сожженное на электростанции для производства этой электроэнергии. Р. Блисс и М. Донован решили эту проблему, продуванием воздуха через четыре слоя черной сетки.

Для воздушных коллекторов факторы, влияющие на выбор краски для теплоприемника, селективных поверхностей и покрытий, аналогичны уже рассмотренным жидкостным коллекторам. Один из основных недостатков неметаллических поглотителей для воздушных коллекторов заключается в относительной трудности нанесения селективных покрытий. Пока не усовершенствуется технология нанесения таких покрытий, будут преобладать металлические теплоприемники.

Клоуз продемонстрировал значение селективных покрытий для воздушных коллекторов. При прочих равных условиях для

теплоприемника с селективным покрытием эффективность его работы повышается от 50 до 65% при низких рабочих температурах и от 15 до 35% — при повышенных температурах.

Важным соображением при конструировании коллектора является предупреждение утечки воздуха. Поскольку, нагретый солнцем воздух, подается вентилятором под давлением, существует возможность утечки даже через небольшие щели, а также засасывание в эти щели холодного наружного воздуха. Многие конструкторы считают, что предупреждение утечки важно для жидкостных систем, но это имеет не меньшее значение для повышения КПД воздушных коллекторов. Воздухонепроницаемость является важнейшим фактором в конструкции всей системы воздушного потока, включая воздуховоды и демпферы. Особая тщательность должна быть соблюдена при устройстве переплетов остекления во избежание утечки воздуха; использование больших листов пластика значительно уменьшает число стыков при остеклении. Подобно вторым оконным рамам, уменьшающим проникновение воздуха в здание, второе и третье прозрачное покрытие уменьшает утечку воздуха в коллекторах воздушного типа.

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

Серьезными проблемами при создании воздушного коллектора являются:

— низкая удельная теплоемкость воздуха;

— малая плотность.

Ввиду низкой теплоемкости воздуха появляется необходимость создавать габаритные рабочие объемы, где он может циркулировать, даже в самом коллекторе. Воздушные промежутки в коллекторах (например, между пластиной теплоприемника и прозрачным покрытием) составляют 40…150 мм. Вообще, чем больше размер воздуховода, тем меньше перепад давления (сопротивление движению воздуха), но тем хуже теплопередача от теплоприемника к воздуху.