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

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

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

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

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

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

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

Рис. 20. Система горячего водоснабжения, термосифонный тип

1 — солнечные лучи; 2— водяной солнечный коллектор; 3— термостат; 4 — теплообмен­ник; 5 — двухкорпусный солнечный бойлер; 6 — электроотопительный прибор; 7 ?— холод­ная вода; 8 —- горячая вода; 9 — циркуляция воды, нагретой солнцем; Ш — циркуляция теплоносителя используемой воды Рис. 21. Водяная солнечно-отопительная система — принудительно циркуля­ционный тип 1 — солнечные лучи; 2 — водяной солнечный коллектор; 3 — термостат; 4 — циркуляцион­ный насос; б — теплообменник; 6 — двухкорпусная емкость; 7 — электронагревательный прибор; 8 — запасной бойлер для теплоносителя; 9— холодная вода; /0 —горячая вода; Л — циркуляция воды, нагретой солнцем; 12 — циркуляция используемой воды

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 22. Система горячего водоснабжения — система «Эксенерсоль» І — холодная вода; 2, 4 — электрический переключатель со световым индикатором; 3 — го­рячая вода; 5, б—термометры; 7 — регулятор; 8 — манометр; 9 — циркуляция воды, на­гретой солнцем; 10 — водяной солнечный коллектор; — теплообменник; 12—расшири­тельный бак для циркуляции воды, нагретой солнцем; 13 — предохранительный клапан; 14 — горячая вода для водоснабжения; 15 — «Optimasol» — электронный контроль; 16 — термостат для регуляционного насоса; 17 — термостат для двухкорпусной емкости; 18 — холодная вода.. .. .

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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