НВ. ХАРЧЕНКО

инаимшмльнш

солнечньїс

Москва знергоатомиздат

1991

УСТАНОВКИББК 31.63 X 22

УДК [621.311.25:551.521.1] :63

Рецензент Н. П. Селиванов

Харченко Н. В.

X 22 Индивидуальнне солнечнне установки. — М.: Знергоатомиздат, 1991. — 208 с.: ил.

ISBN 5г283-00110-Й

В популярной форме описани принципи преобразования солнечной знергии в теплоту, злектричество и другие формн знергии. Описан принцип действия и устройства солнечньїх установок, предназначенньїх для использования на приуса- дебннх участках, в бьіту и сельском хозяйстве, Приведень! практические рекомендации по расчету, вибору материалов, конструированию, изготовлению и монтажу солнечньїх уста­новок своими силами.

Для широкого круга читателей, интересующяхся вопро- сами практического использования солнечной 9нергин в бьіту.

„ 2207000000-188 „ „„„а,

^х ' ^1М-^{И БИ( 3,(13}

— Научно-популярное издание

Харченко Ннколай Васильевич

ИНДИВИДУАЛЬНЬІБ СОЛНЕЧНЬІЕ УСТАНОВКИ

Зав. редакцией И. В. Волобуева Редактор издательства М. И. Кузнецова Художник обложки В. Б. Гордон Художественннй редактор В. Ю. Щербаков Технический редактор В. В. Хапаева Корректор Е. С. Арефьева

ИБ № 3092

Сдано в набор 09.10.90. Подписано в печать 25.02.91. Формат 84Х108^[/з2. Ьумага типографская № 2. Гарнитура литературная. Печать високая. ^л- печ. л. 10,92. Усл. кр.-отт. 11,24, Уч.-изд. л. 11,52. Тираж 55 000 зкз. Заказ № 675. Цена 1 р. 20 к,

Знергоатомиздат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10

^кпшіпп^{И,)ская тип}ография Госкомпечати СССР. ьииоои, г. Владимир, Октябрьский проспект, д. 7

ISBN 5-283.00110.5 © Д»„р, 1991

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время вопросам использования зозоб- новляемнх источников знергии уделяется серьезное вни- мание. Зти источники знергии рассматриваются как суще- ственное дополнение к традиционньїм. Среди возобнов- ляемнх источников знергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, зкологической чистоте и повсеме- стной распространенности наиболее перспективна.

В нашей стране потребляется около 20 % всего миро­вого производства первичннх знергоресурсов, однако се- бестоимость органического топлива растет бистрими темпами, обостряются зкологические проблеми, связан- нне с загрязнением окружающей средьі топливоисполь- зующими установками, особенно при увеличении масш- табов потребления низкосортного твердого топлива. В связи с указанньїми проблемами становится все более необходимьім использование нетрадиционних знергоре­сурсов, в первую очередь солнечной, ветровой, геотер- мальной знергии, наряду с вйедрением знергосберегаю- щих технологий.

Имеются довольно широкие возможности применения солнечннх установок для индивидуальньїх потребите- лей, особенно в сельской местности. Расширение масшта- бов применения солнечньїх установок не только даст зна- чительную зкономию знергоресурсов, но и позволит смяг- чить зкологическую ситуацию.

- В настоящее время солнечную знергию зкономически целесообразно использовать для горячего водоснабжения сезонних потребителей типа спортивно-оздоровительннх учреждений, баз отдьіха, пионерлагерей, дачньїх посел- ков, а также для обогрева открьітьіх и закрнтнх плава- тельньїх бассейнов, спортивних сооружений, душевнх. Конкурентоспособни по сравнению страдиционними уста­новками гелиосушилки для сена, лесоматериалов и сельскохозяйственних продуктов. В сухом жарком кли- мате Средней Азии рационально использовать установки

з

і* для охлаждения зданий и сооружений, сельскохозяйст- венньїх обьектов, птичников, хранения скоропортящихся продуктов, медицинских препаратов и т. п.

В сфере сельскохозяйственного производства приме- нение недорогих воздушньїх коллекторов солнечной знер­гии поможет решить проблему отопления животноводче- ских ферм. Также делесообразно интенсифицировать работьі по использованию солнечной знергии для отопле­ния теплид. Подогрев водн на фермах позволит улуч- шить условия труда и содержания животних. Солнечньїе установки отопления требуют значительньїх капитало- вложений, которне обьічно не окупаются за предполага- емнй срок службьі установок в 20 лет в районах, лежа- щих севернее 45° с. ш. Однако даже в холодном климате скандинавских стран — Швеции и Финляндии — реализо- ваньї крупномасштабние демонстрационние проекти солнечньїх систем теплоснабжения с применением тепло­вих насосов и сезонних аккумуляторов теплоти, позво- ляющих покривать практически вск> нагрузку отопления за счет солнечной знергии. Особенностью зтих систем яв- ляется аккумулирование теплоти солнечной радиации, по- ступающей в летний период, в больших подземннх резер­вуарах или шахтний виработках и использование зтой теплоти, а также знергии окружающей средн (грунта, грунтових вод и т. п.) для отопления зданий в зимний период. Зти системи пока зкономнчески нерента- бельни, так как требуют больших капиталовложе- ний. В перспективе, по мере роста цен на топливо и сни- жения стоимости гелиосистем и их злементов, особенно сезонного аккумулятора теплоти, появится возможность создания централизованннх систем солнечного тепло­снабжения с незначительним потреблением злектриче- ской и тепловой знергии.

В районах с годовим приходом солнечной радиа­ции не менее 1200кВт-ч/м² при зффективном использо- вании зтой знергии можно будет обеспечить до 25 % теплопотребления в системах отопления, до 50 % —в си­стемах горячего водоснабжения и-до 75% — в систе­мах кондиционирования воздуха. Благодаря зтому суще- ственно снизится расход органического топлива и загряз- нение воздушного бассейна вредньїми газовими вибро- сами, содержащими оксиди азота и сери. Если перевести на солнечное теплоснабжение 10 % потребителей сельских районов, расположенних южнее 60° с. ш., мож-

#

но зкономить 1,7 млн. т условного топлива в год ¹, а про- гнозируемая зкономия топлива в стране в 2000 г. достис- нет 20—30 млн. т условного топлива. Применение сол­нечньїх установок не только замещает дефицитное топливо, но и предотвращает загрязнение окружающей средьі вредньїми вмбросами топливоиспользующих уста­новок. В удаленньїх от источников знергоснабжения рай­онах использование солнечной знергии (наряду с знер- гией ветра) является практически единственной альтер- нативой и позволяет значительно улучшить условия жизни населення.

Для расширения масштабов использования зкологи- чески чистой солнечной знергии в народном хозяйстве страньї в ближайшие 20—ЗО лет необходимо организо- вать производство високозффективного гелиотехническо- го оборудования различного назначения. Наиболее про- ₍ стьі в конструктивном отношении солнечньїе водонагрева- тельньїе системьі, имеющие годовой КПД ЗО—50 %. Повьішение зффективности гелиосистем отопления и ох- лаждения зданий связано с применением более совер- шенного гелиотехнического оборудования в сочетании с оптимальньїми архитектурно-теплотехническими решени- ями, направленньїми на сокращение тепловьіх потерь и соответствующее снижение потребности в знергии, а так­же на использование конструкции самого здания для улавливания солнечной знергии.

Основная проблема в использовании солнечной знер­гии для отопления индивидуальньїх домов в нашей стра­не — отсутствие массового производства солнечньїх кол- лекторов, аккумуляторов солнечной знергии и другого оборудования. Ключевой вопрос — разработка, оптими- зация, конструирование и производство гелиоустановок, имеющих вьісокую зффективность при допустимих ка- питалозатратах.

В сельской местности уже сейчас и в ближайшей перспективе можно использовать солнечную знергию для нагрева води и отопления жилих и производственньїх помещений, сушки сельскохозяйственной продукции, вьі- ращивания овощей, цветов, рассадн, опреснения води и получения умеренного холода. Хотя нет сомнений в том, что наиболее зффективнне в знергетическом и ЗК0Н0МИ- ческом отношении установки могут бить получени лишь

В условиях крупномасштабного серийного производства с использованием современнмх технологий, тем не менсе кооператори и «индивидуалн» могут внести достойний вклад в решение проблеми использования солнечной знергии.

В 1600 г. во Франции бнл создан первнй солнечньїй двигатель, работавший на нагретом воздухе и использо- вавшийся для перекачки води. В конце XVIII в. веду- щий французский химик А. Лавуазье создал первую сол- нечную печь, в которой достигалась температура в 1650°Синагревались образцн исследуемнх материалов в вакууме и защитной атмосфере, а также били изученн свойства углерода и платини. В 1866 г. француз А. Му- шо построил в Алжире несколько крупних солнечньїх концентраторов и использовал их для дистилляции води и привода насосов. На всемирной внставке в Париже в 1878 г. А. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0,5 кг мяса можно било сварить за 20 минут. В 1833 г. в США Дж. Зрнксон по­строил солнечньїй воздушннй двигатель с пароболо- цилиндрическим концентратором размером 4,8X3,3 м. Тогда же француз А. Пифф построил паровой двигатель мощностью 500 Вт с концентратором площадью около ^; 10 м², которнй приводил в действие печатний станок в типографии, где издавалась газета «Ле Солей» («Солн- це»),

Первнй плоский коллектор солнечной знергии бнл построен французом Ш. А. Тельером. Он имел площадь 20 м² и использовался в тепловом двигателе, работав- шем на аммиаке. В 1885 г. бьіла предложена схема солнеч­ной установки с плоским коллектором для подачи водьі, причем он бил смонтирован на крьіше пристройки к дому.

Первая крупномасштабная установка для дистилля­ции води бьіла построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном. Она зксплуатировалась в те- чение ЗО лет, поставляя питьевую воду для руд­ника.

Английский изобретатель А. Г. Инеас построил в шта­те Аризона (США) большие солнечнне концентратори для производства водяного пара давлением 10 бар, ис- пользовавшегося для перекачки води с расходом до 320 м³/ч. Концентратор параболической форми имел диаметр 10,2 м в верхней части и 4,5 м внизу, 1788 зер- кал направляли лучи на котел, расположенньїй в фокусе концентратора.

В 1890 г. проф. В. К. Церасский в Москве осуществил процес плавлення металлов солнечной знергией, сфоку- сированной параболоидньїм зеркалом, в фокусе которого температура превьішала 3000 °С.

В зарубежной и, отечественной лнтературе отсутству- ют практические пособия по конструированию, изготов- лению и монтажу солнечньїх установок коммунально- бмтового и сельскохозяйственного назначения небольшой мбгцности непосредственно на приусадебньїх участках. Данная книга должна восполнить пробел и помочь за- интересованньїм лицам построить простую гелиоустанов- ку самостоятельно.

В книге даньї общая картина и перспективи исполь­зования солнечной знергии в СССР и за рубежом, опи- саньї конструктивнне особенности, методи расчета, из- готовления и монтажа солнечннх установок для инди- видуальннх потребителей и сельского хозяйства. В ней читатель найдет ответн на вопросн о том, как работают солнечние установки различного назначения, для каких целей наиболее целесообразно использовать солнечние установки в настоящее время и в ближайшей перспек- тиве, как самим изготовить солнечние установки и т. п.

Автор

Автор с благодарностью примет все замечания по книге, которие просит направлять в издательство по ад­ресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, Знер- гоатомиздат.Глава пер в а я

ЗНЕРҐЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ И ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЬІ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ

Солнце — гигантское светило, имеющее диамеур 1392 тьіс. км. Его масса (2-Ю³⁰ кг) в 333 тне. раз пре- вишает массу Земли, а об-ьем в 1,3 млн. раз больше обь- ема Земли. Химический состав Солнца: 81,76 % водорода, 18,14 % гелия и 0,1 % азота. Средняя плотность вещест- ва Солнца равна 1400 кг/м³, а в его центре она достигает 76000 кг/м³. Внутри Солнца происходят термоядерньїе реакции превращения водорода в гелий и ежесекундно 4 млрд. кг материн преобразуетея в знергию, излучаемую Солнцем в космическое пространство в виде злектромаг- нитньїх волн различной длини. Мощность потока сол- нечного излучения составляет 4• 10²³ кВт. В центре Солн­ца давление достигает огромного значення в 2-Ю¹⁰ МПа і'(около 204 млрд. ат), а температура по разннм оценкам составляет 8—40 млн. К, температура фотосферьі на по- верхности Солнца приблизительно равна 5900 К.

Солнечную знергию люди используют с древнейших Бремен. Еще в 212 г. до н. з. с помощью концентрирован- них солнечньїх лучей зажигали священний огонь у хра- мов. Согласно легенде приблизительно в то же время ¹ греческий учений Архимед при защите родного города поджег паруса кораблей римского флота.

Солнечная радиация — зто неисчерпаемнй возобнов- ляемьш источник зкологически чнетой знергии. На Зем­лю попадает незначительная доля излучаемой Солнцем знергии, причем 95 % поступающей солнечной знергии —• зто коротковолновое излучение в диапазоне длин волн от 0,3 до 2,4 мкм.

Верхней границьі атмосфери Земли за год достигает поток солнечной знергии в количестве 5,6-10²⁴ Дж. Ат­мосфера Земли отражает 35 °/о ^ЗТ0Й знергии, т. е. 1,9Х XIО²⁴ Дж, обратно в космос, а остальная знергия расхо- дуется на нагрев земной поверхности (около 2,4-10²⁴ Дж), испарительно-осадочньш цикл (около 1,3 -10²⁴ Дж) и об- разование волн в морях и океанах, воздушннх и океан- ских течений и ветра (около 1,2-10²² Дж). Мощность потока солнечного излучения у верхней границн атмос­фери Земли равна 1,78-10¹⁷ Вт, а на поверхности Зем­ли 1,2 -10¹⁷ Вт.

Плотность потока солнечной знергии /о у верхней границьі атмосфери на поверхность, расположенную пер­пендикулярно направленню солнечньїх лучей, составляет 1353 Вт/м² и назнвается солнечной постоянной, а сред- нее количество знергии £₀.н, поступающей за 1 ч на 1 м² зтой поверхности, равно 4871 кДж/(ч-м²). Вследствие вращения Земли вокруг Солнца по зллиптической орби- те расстояние между ними в течение года изменяется в пределах 150 млн. км±1,7 %, а часовое количество вн.е- атмосферной солнечной знергии, поступающей на 1 м² нормальной поверхности, изменяется в течение года ме- нее чем на 7 % — от 4710 до 5036 кДж/(ч -м²).

Годовое количество поступающей на Землю солнеч­ной знергии составляет 1,05-10¹⁸ кВт-ч, причем на по­верхность суши приходится только Vs часть зтой знергии, т'е. 2-Ю¹⁷ кВт-ч. (Заметим, что 1 кВт-ч = 3600 кДж, а 1000 кДж=278 Вт-ч.) К зтому. добавляются знергия ветра (1,58-10¹⁶ кВт-ч в год с мощностью 1,8-10^!2 кВт) и другие косвенние види солнечной знергии.

Без ущерба для зкологической среди может бить ис- пользовано 1,5 % всей падающей на Землю солнечной знергии, т.е., 1,62-10¹⁶ кВт-ч в год (что зквивалентно огромном^ количеству топлива — 2-10¹² т условного топ­лива), при зтом мощность потока знергии составляет 1,85-Ю¹² кВт.

Распределение глобального потока солнечной радиа- ции на поверхности земного шар а крайнє неравномерно. Количество солнечной знергии, поступающей за год на 1 м² поверхности Земли, изменяется приблизительно от 3000 МДж/м² на севере до 8000 МДж/м² в наиболее жар­ких пустинних местах (рис. 1).

Среднегодовое количество солнечной знергии, посту- патощей за 1 день на 1 м² поверхности Земли, колеблется от 7,2 МДж/м² на севере до 21,4 МДж/м² в пустинях и

Рис. 1. Годовой прнход солнечной радиации на горизонтальную по- верхность в различнмх районах земного шара (МДж/м² в год)

тропиках. Среднегодовая плотность потока солнечного излучения составляет 210—250 Вт/м² в субтропических областях и пустинях, 130—210 Вт/м² в центральной час­ти СССР и 80—130 Вт/м² на севере СССР. Пиковая .плотность потока солнечной знергии достигает 1 кВт/м².

Солнечное излучение у верхней граници земной ат­мосфери приблизительно соответствует излучению абсо­лютно черного тела с температурой 5900 К и включает _ ультрафиолетовое излучение (длина волн % от 0,2 до 0,4 мкм), видимий свет (Я от 0,4 до 0,78 мкм) и инфра- красное- излучение с более длинньши волнами. Макси­мум интенсивности солнечного излучения приходится на длину волни 0,5 мкм.

При прохождении солнечньїх лучей через атмосферу Земли часть излучения рассеивается и поглощается мо­лекулами озона, воздуха и водяного пара, а также час­тинами пили — зто приводит к ослабленню прямого солнечного излучения и появленню диффузного., (рас­сеянного) излучения. Часть знергии, поглощенной и рас- сеянной газовими частицами, возвращается обратно в космическое пространство, а основной ее поток достигает поверхности Земли в виде рассеянного (диффузного) излучения. Доля рассеянного (диффузного) излучения в

Таблиця 1. Среднемесячное дневное поступление суммарной солнечной внергии на поверхность Земли Е, МДж/м2 в день Ширина, град Месяц	0	ю	20	зо	40	50	60	70	80	90
І	20,9	17,3	13,3	9	4,7	1,8				.
II	22	19,1	15,5	11,5	7,2	3,6	0,7
III	23	21,6	19,1	15,8	12,2	7,9	4	1,1		.
IV	22,7	22,7	22	20,2	17,6	14	10,1	6,1	2,1	0,4
V	21,2	22,7	23,4	23	22	19,8 23	16,6	13	10,4	8,3
VI	19,8	22,3	23,8	24,5	24,1		21,2	18,7	16,9	16,9
VII	19,4	22	23,8	24,5	24,5	22,7	21,6	19,1	18	17,6
VIII	20,5	22,3	22,7	23,4	22,3	20,5	18	14,4	11,5	10,8
IX	22	22,7	22,3	20,9	18,4	15,5	11,5	7,6	3,6	1,4
X	22,7	21,6	19,8	16,9	13*3	9,4	5,4	1,8	—'
XI XII	22 20,9	19,4 17,6	16,2 13,7	12,6 9,4	8.3 5.4	4,3 1.8	1,4
Средне- годовой поток	21,4	20,9	19,6	17,6	14	11,9	9,2	6,8	5,2	4,6

общем потоке поступающей солнечной радиации зависит от географических и климатологических факторов и из­меняется в течение года. Так, в Киеве она изменяется от 0,39 в июле до 0,75 в декабре, в Москве — соответственно от 0,54 до 0,8, в Ташкенте — от 0,19 до 0,5, а в Ашхаба- _де _1 от 0,3 до 0,5. В табл. 1 показано распределение среднемесячного дневного поступлення солнечной знео- гии на 1 м² горизонтальной поверхности на всех широ­тах — от зкватора до северного полюса.

Рис. 2. Интенснвность прямого солнечного излучения вьіше атмосфе­ри Земли (/о), н£ уровне моря (/) и излучения абсолютно черного тела при температуре 5900 К Uo^) в зависимости от длиньї волньїХ

На рис. 2. показано спектральное распределение ин- тенсивности прямого солнечного излучения / у верхней границн атмосфери и на уровне моря в сравнении с из- лучением абсолютно черного тела при температуре 5900 К. На рис. З приведено изменение суточного прихо­де суммарного солнечного излучения на вертикальньїе поверхности с южной (а) и восточной или западной (б) ориентацией, расположенньїе на различнмх широтах — на зкваторе (5), северном полюсе (СП), у полярного круга (ПК) и на широте ЗО, 42, 50 и 60°с. ш.

Дата

а)

Т— Г Т~ "Г ■■ "Т niys^60^\.	1 1 Т '1 І — 3
3 , 1 1 -1 . і . 1 .

21,3 21,5 22,1 22,4 22,11 20,1 21,1

Дата В)

Рис. 3. Количество суммарной солнечной знергии, поступающей на вертикальную поверхность с южной (а) и восточной (б) ориента-

цией:

' ^ екватор; СЛ — северньїй полюс; ПК — лолярньїй круг, широта ЗО, 42, 60,

^ЙМЙЙІ

60° с. ш.

в весенне-летний период (с 21.03 до 22.09) поступле- ние солнечной знергии на вертикальную поверхность в районе севєрного полюса максимальное, и с продвиже- нием на юг ойо уменьшается и на зкваторе достигает минимального значення — нуля — для поверхностей южной ориентадии. В то же время в период с 22.09 до

3. поток солнечной радиации на вертикальную поверх­ность у северного полюса равен нулю, для поверхностей с восточной или западной ориентацией он максимален на зкваторе и уменьшается при удалении от зкватора, а за- висимость поступлення солнечной радиации на южньїе вертикальньїе поверхности от широти местности более сложная.

Потенциал солнечной знергии можно охарактеризо- вать среднегодовнм значением прихода солнечной ради­ации на 1 м² горизонтальной поверхности. Годовое по- ступление солнечной знергии на территории стран СЗВ характеризуется следующими данньши (в кВт-ч/м²): СССР — от 800 (68° с. ш.) до 2000 (39°с.ш.); ГДР, ЧСФР и Польша — 950—1050; Венгрия — 1200; МНР — 1750; Куба — 1900; Болгарин — 2000.

Годовой поток солнечного излучения на территории СССР изменяется в широких пределах. Так, на 1 м² го­ризонтальной поверхности на северннх островах и севе- ро-восточной оконечности Сибири за год поступает всего 550—830 кВт-ч, на большей части европейской территории и Сибири — 830—1100 кВт-ч, в южннх рай­онах Украиньї, Молдавии, Поволжья, Сибири и Дальнего Востока — 1100—1380 кВт-ч, в Закавказье и Средней Азии — 1400—1600 кВт-ч, в пустинних районах Турк- мении — 2000 кВт-ч и более.

Годовое число часов солнечного сияния равно: в Тур- кмении — 3100, Узбекистане и Таджикистане — 2815— 2880, Казахстане и Киргизии —2575—2695, Армении, Грузни и Азербайджане — 2125—2520, Украине и Мол­давии — 2005—2080.

Условия для использования солнечной знергии в СССР наиболее благоприятньї в республиках Средней Азии, Казахстане, Нижнем Поволжье, Северном Кавка­зе и республиках Закавказья, на юге Украинн и Сибири, в Молдавии. В Средней Азии продолжительность све- тового дня в июне достигает 16 ч, в декабре — 8—10 ч. Здесь в году 300 солнечньїх дней, продолжительность солнечного сияния 2500—3100 ч в год, а летом — 320— 400 ч в месяц. В районах, благоприятньїх для использо- вания солнечной знергии, проживает около 130 млн. че- ловек, в том числе более 60 млн. в сельской местности.

В центральной части СССР за летнее полугодие, ког- да теплопотребление минимально, на Землю поступает около ²/з всего годового количества солнечной знергии, а в июле приход солнечной знергии в 5—10 раз больше, чем в декабре.

В табл. ПІ приведень! данньїе по дневньїм потокам суммарной и рассеянной (диффузной) солнечной знер­гии, поступающим на горизонтальную поверхность в течение года в наиболее крупних городах Советского Со- юза. Там же указаньї среднемесячнне значення темпера­тури наружного воздуха в зтих городах. Зти данние не- обходими для вьіполнения расчетов солнечних устано­вок.

К солнечной знергии добавляются другие возобнов- ляемие источники знергии, среди которнх наибольшим потенциалом для практического использования облада- ет знергия ветра и биомасси. Потенциальние ресурси ветровой знергии в СССР составляют 8* 10¹² кВт-ч/год, а технически реализуемая мощность — 2-10¹⁰кВт. В СССР разработанн ветрознергетические установки (ВЗ^) мощностью ЗО и 100 кВт. За рубежом, например, в США, ФРГ, Швецни, Дании и др., зксплуатируется большое количество больших и малих ВЗУ. В США в 1986 г, суммарная мощность 30 тис. ВЗУ составляла 1500 МВт, в том числе 7 ВЗУ имели мощность 25— 72 МВт, а'себестоимость злектрознергии от ВЗУ состав­ляет 0,03—0,06 долл/(кВт-ч).

Годовая продукция фотосинтеза, в результате кото' рого образуется биомасса, составляет 57 * 10¹² кг угле- рода, при зтом накопленная знергия биомасси в десятки раз превосходит годовую потребность человечества в знергии.

2. ГІРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЗНЕРГИИ В ТЕПЛОТУ, РАБОТУ И ЗЛЕКТРИЧЕСТВО

Солнечная знергия может бить преобразована в теп­ловую, механическую и злектрическую знергию, исполь- зована в химических и биологических процессах. Сол- нечнне установки находят применение в системах отоп­ления и охлаждения жилих и общественних’ зданий, в технологических процессах, протекающих при низких. средних и високих температурах. Они используются для получения горячей води, опреснения морской или мине- рализованной води, для сушки материалов и сельскохо- зяйственннх продуктов и т. п. Благодаря солнечной знер­гии осуществляется процесе фотосинтеза и рост расте- ний, Происходят различнне фотохимические процеси.

Известнн методи термодинамического преобразова- ния солнечной знергии в злектрическую, основанние на использовании циклов теплових двигателей, термозлек- трического и термозмиссионного процессов, а также прямьіе методи фотозлектрнческого, фотогальваническо- го и фотозмиссионного преобразований. Наибольшее практическое применение получили фотозлектрические преобразователи и системи термодинамического преоб- разования с применением теплових двигателей.

Рассмотрим физическую сущность процессов преобразования солнечной знергии в теплоту и работу, а также состояние работ по производству злектрической знергии, поскольку зто наиболее полно характеризует современньїй уровень развития гелиотехники.

Преобразование солнечной знергии в механическую осуществля­ется в две стадии. Первая стадия включает фототермическое преоб­разование, в результате которого солнечная знергия, поглощаемая в коллекторе, нагревает теплоноситель или рабочее тело. Зтот нагрев может происходить непосредственно в солнечном коллекторе — при- емнике солнечного излучения — или в теплообменнике. При 9T0M помимо нагрева как такового для таких рабочих тел, как водяной пар и пари органических веществ (фреонов), происходит также про­цесе образования и перегрева пара. Вторая стадия осуществляется в тепловом двигателе, в котором тепловая знергия рабочего тела преобразуется в работу. В цикле теплового двигателя рабочее тело (водяной пар или паріл фреонов, воздух и т. п.) получает теплоту Qi от источника теплоти, в результате чего оно расширяется и вн- полняет работу, отдает теплоту Q2 окружающей среде и при зтом сжимается с затратой работи. Полезная работа цикла равна разно- сти количеств подведенной и отведенной теплоти L=Qi—Q₂, а зф- фективность преобразования теплота в работу характеризуется тер- мическим КПД цикла ті<=Z-/Q₁= 1—Q2/Q1-

Наиболее зффективно преобразование теплоти в работу проис­ходит в цикле Карно, состоящем из идеальїшх процессов с подводом теплоти при постоянной температуре Ті и отводе теплоти при по- стоянной температуре Т₂ и имеющем КПД г|₍„= 1—Гг/ТУ Для повн- шения зтого КПД необходимо увеличивать Ті и уменьшать Т_г. В данном диапазоне максимальной (Ті) и минимальной (Т₂) темпе­ратур зффективность цикла реальних теплових двигателей — паро­вих и газових турбин, паровой машини, двигателей внутреннего сгорания и др. — значительно ниже термического КПД цикла Карно, но она также повишается при увеличении средней температури под- вода теплоти и уменьшении средней температури отвода теплоти. Макснмальние величини термического КПД при типичних значени- ях параметров рабочего тела составляют 0,48 для паросилових установок и 0,36 для двигателей внутреннего сгорания и газотурбин- ннх установок, что в 1,5—2,5 раза ниже, чем в цикле Карно.

Солнечная знергия преобразуется в злектрическую на солнечньїх злектростанциях (СЗС), имеюіцих оборудо^- вание, предназначенное для улавливания солнечной знергии и ее последовательного преобразования в тепло­ту и злектрознергию. Для зффективной работн СЗС тре- буется аккумулятор теплоти и система автоматического управлення. ^

Улавливанне и преобразование солнечной знергии в теплоту осуществляется с помощью оптической системи отражателей и приемника сконцентрированной солнеч­ной знергии, используемой для получения водяного па­ра или нагрева газообразного или жидкометаллического теплоносителя (рабочего тела).

Для размещения солнечньїх злектростанций лучше всего подходят засушливне и пустннние зоньї. Райони, в которьіх годовое количество осадков не превьішает 250 мм, занимают около Vs части всей суши Земли. На поверхность самьіх больших пустинь мира общей пло- щадью 20 млн. км² (площадь Сахари 7 млн. км²) за год поступает около 5-10¹⁶ кВт-ч солнечной знергии. Призф- фективности преобразования солнечной знергии в злект­рическую, равной 10 %, достаточно использовать всего 1 % территории пустинних зон для размещения СЗС, чтобн обеспечить-современннй мировой уровень знерго- потребления.

В настоящее время строятся солнечние злектростан- ции в основном двух типов: СЗС башенного типа и СЗС распределенного (модульного) типа. Идея, лежащая в основе работн СЗС башенного типа (рис. 4), бнла вн- сказана более 350 лет назад, однако строительство СЗС зтого типа началось только в 1965 г., а в 80-х годах бнл построен ряд мощньїх солнечннх злектростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.

В 1985 г. в п. Щелкино Крнмской области бнла вве­дена в зксплуатацию первая в СССР солнечная злектро- станция СЗС-5 злектрической мощностью 5 МВт; 1600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25,5 м² каж- днй, имеющих козффициент отражения 0,71, концентри- руют солнечную знергию на центральний приемник в ви­де открнтого цилиндра, установленного на башне вмсо- той 89 м и служащего парогенератором. Строительство

СЗС-5 обошлось в ЗО млн. руб., а удельная стоимость установленной мощности равна 6 тьіс. руб/кВт.

Вьшолненн технико-зкономические расчетьі и проект- ньіе проработки блочних СЗС общей мощностью 200 и 320 МВт, включающих четьіре блока по 50 н 80 МВт. Удельньїе капиталовложения составят 1500 руб/кВт.

В США израильской фирмой «Луз» в 1988 г. бнли построеньї семь и продолжалось строительство еще ше­сти СЗС мощностью ЗО МВт и стоимостью 104 млн. долл. каждая, а в 1992 г. предусмотрен ввод в действие круп- ной СЗС мощностью 350 МВт,

2 г—і '

{_[ Рис. 4. Схема солнечной

злектростанции башенпо- го типа:

І — гелиостатьі; 2 — цент* ральньїй приемник нзлуче- вия; 3 — оборудованце

стандии

Для покрьітия потребностей в злектрознергии всей Западной Европьі достаточно построить в Испании се- рию СЗС на площади, занимающей 1,8 % ее территории. При зтом ими будут замененн атомньїе злектростанции.

В’ Каракалпакии предусмотрено строительство ком- бинированной солнечно-топливной злектростанции об­щей злектрической мощностью 300 МВт. Мощность сол­нечного блока 100 МВт, требуемая площадь 200 га, ви­сота башен 300 м. Расчетная годовая зкономия топлива составляет 80 тис. т условного топлива.

В СЗС распределенного (модульного) типа исполь- зуется большое число модулей, каждьій из которьіх вклю- чает параболо-цилиндрический концентратор солнечного излучения и приемник, расположенннй в фокусе концент­ратора и используемнй для нагрева рабочей жидкости, подаваемой в тепловой двигатель, которьій соединен с злектрогенератором. Самая крупная СЗС зтого типа по- строена в США и имеет мощность 12,5 МВт.

При небольшой мощности более зкономичньї СЗС модульного типа. В то же время башенние СЗС мощно­стью до 10 МВт нерентабельнн, их оптимальная мощ­ность равна 100 МВт, а висота башни 250 м. В СЗС мо­дульного типа обьічно используются линейнне концент­ратори солнечной знергии с максимальної степенью концентрации около 100, а в башенньїх СЗС использует- ся центральний приемник с полем гелиостатов, обеспе- чивающим степень концентрации в несколько тисяч. Во втором случае система слежения за Солнцем значитель- но сложнее, так как при атом требуется вращение вокруг двух осей. Управление системой осуществляется с по- мощью ЗВМ.

В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обич- но используется водяной пар с температурой до 550 °С, воздух и другие гази — до 1000 °С, низкокипящие орга- ническне жидкости (в том числе фреони)—до 100 °С, жидкометаллнческие теплоносителн — до 800 °С.

В ряде стран разрабативаются гелиознергетические установки с использованием так назьіваемьіх солнечньїх прудов. На озере Солтон Си (Калифорния, США) пло- щадью 932 км² предусмотрено сооружение СЗС с мощ­ностью модуля 5 МВт, с дальнейшим развитием до 50 МВт и доведением общей мощности СЗС до 600 МВт, при зтом будет использоваться 15 % всей площади озе­ра. В 1987 г. в Израиле построена СЗС мощностью 5 МВт с площадью солнечного пруда 0,25 км², в даль- нейшем намечено построить две СЗС по 20 МВт (пло­щадь пруда 1 км²) и СЗС 50 МВт (площадь 4 км²), а затем на Мертвом море (площадь 500 км²) будет созда- но несколько СЗС мощностью по 50 МВт и до 2000 г, предусмотрено ввести в строй серию СЗС по 50—100 МВт общей мощностью 2000—3000 МВт.

СЗС на базе солнечньїх прудов значительно дешевле СЗС других типов, так как они не требуют зеркальннк отражателей со сложной системой ориентации, однако их можно сооружать только в районах с жарким климатом. Стоимость производства 1 кВт*ч злектрознергии состав­ляет 0,1 долл., что в 4,5 раза дешевле, чем на СЗС ба­шенного типа.

Главними недостатками башенньїх СЗС являются их високая стоимость и большая занимаемая площадь. Так, для размещения СЗС мощностью 100 МВт требуется площадь в 200 га, а для АЗС мощностью 1000 МВт — все­го 50 га. В соответствии с прогнозом в будущем СЗС займут площадь 13 млн. км² на суше и 18 млн. км² в океане.

2*

19

Знергия солнечной радиации может бить преобразо- вана в постоянньїй злектрический ток посредством сол- нечних батарей — устройств, состоящих из тонких пле-

нок кремния или других полупроводниковнх материалов. Преимущество фотозлектрических преобразователей (ФЗП) обусловлено отсутствием подвижньїх частей, их вьісокой надежностью и стабильностью. При атом срок их службьі практически не ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания, зффектиз- ннм использованием как прямой, так и рассеянной сол­нечной радиации. Модульний тип конструкции позволя- ет создавать установки практически любой мощности н далает их весьма перспективними. Недостатком ФЗП является високая стоимость и низкий КПД (в настоящее время практически 10—12 %),

Рис. 5. Солнечньїй злемент (а) и модуль (б) солнечной батарей:

я: /—кремний п-типа: ? — кремний р-типа; 3 — пленка из диоксида кремния; 4 — злектрод; б: / — пластинка из акриловой смоли; 2 —корпус: З —солнеч­ньїй 9лемент; 4 — електрод; 5 — воздушньїй зазор

Фотозлектрический зффект возникает в солнечном злементе при его освещении светом в видимой и ближ- ней инфракрасной областях спектра. В солнечном еле­менте из полупроводникового кремния толщиной 50 мкм поглощаются фотони, н их знергия преобразуется в злек- трическую посредством р — п соединения (рис. 5).

Стоимость кремниевьіх злементов в США снизилась с 1970 г. по 1985 г. с 60 до 8тьіс. долл/кВт пиковой мощ­ности. Успешно ведутся работьі в США, Японии, ФРГ и Франции по созданию тонкоплєночньїх солнечннх зле­ментов с удельной стоимостью 1000 долл/кВт. Ежегодннй прирост сбьіта солнечньїх батарей в мире составляет 35 % и в 1990 г. он доджен достичь 500 МВт при стои- мости 3000 долл/кВт. В настоящее время 25 % мирового производства солнечних батарей приходится на Японию.

\

Переход на гетеросоединения типа арсенида галлия и алюминия, применение концентраторов солнечной ра-

диации с кратностью концентрации 50—100 позволяет повисить КПД с 20 до 35 %. Суммарная мощность сол­нечньїх ФЗП на основе аморфного кремния в 1985 г. составила 19 МВт. В США намечено строительство фо- тозлектрической злектростанции мощностью 100 МВт, причем для размещения солнечннх батарей потребуется участок площадью 110 га. Ожидается, что КПД станции составит 23 %, а годовая вьіработка злектрознергии — 216 ГВт-ч. Для обеспечения конкурентоспособности фо­тозлектрических станций по сравнению с ТЗС и АЗС их стоимость должна снизиться в 5—10 раз и достичь 300—■ 500 долл/кВт.

Есть все основания полагать, что для достижения зтой цели потребуется не так уж много времени. Наш оптимизм базируется на новейших достижениях в обла­сте разработки вьісокозффективньїх солнечньїх злемен- тов. Так, в 1989 г. фирмой «Боинг» (г. Сизтл, США) создан двухслойньїй злемент, состоящий из двух полупро- водников — арсенида и антимонида галлия — с козффи- циентом преобразования солнечной знергии в злектри- ческую, равним 37 %. В обнчньїх кремниевнх злементах инфракрасное излучение не используется, в то время как в новом злементе в первом прозрачном слое (арсенид галлия) поглощается и преобразуется в злектричество видимий свет, а инфракрасная часть спектра, проходя через зтот слой, поглощается и преобразуется в злектри­чество во втором слое; (антимонид галлия), в итоге КПД Составляет 28%+ 9% =37%, что вполне сопоставимос КПД современних теплових и атомних злектростанций. По прогнозу через 3 года зти солнечние злементи най- дут применение в космосе, а в течение 10 лет их стои­мость снизится настолько, что станет вполне зкономиче- ски обоснованньїм их применение в наземних системах, при зтом себестоимость вьірабатьіваемой знергии соста­вит 0,1 долл/(кВт-ч).

Солнечние батарей пока используются в основном в космосе, а на Земле только для злектроснабжения авто­номних потребителей мощностью до 1 кВт, питання ра- дионавигационной и маломощной радиозлектронной ап- паратури, привода експериментальних злектромобилей н самолетов. В 1988 г. в Австралии состоялись первие всемирние ралли солнечньїх автомобнлей. По мере совер- шенствовання солнечньїх батарей они будут находить применение в жилих домах для автономного знергоснаб- жения, т. е. отопления и горячего водоснабжения, а так­же для вьіработки злектрознергии для освещения и пи­тання бнтовьіх злектроприборов.

По прогнозам к 2010 г. суммарная мощность СЗС в мире должна достичь 128,5 млн. кВт, в том числе СЗС с термодинамическим преобразованием — 115 млн. кВт, с солнечньїми прудами — 3,5 млн. кВт и фотозлектриче- скими установками — 10 млн. кВт. В дополнение к зто- му предусматривается доведение мощности ВЗУ до 2,8 млн. кВт.

Себестоимость 1 кВт-ч злектрознергии в 1987 г. со- ставляла 0,68—1,37 долл. (солнечньїе батарей), 0,22— 0,57долл. (ВЗУ), по прогнозу в 1992 г. она снизится до 0,28—0,57 долл. (солнечньїе батарей), 0,07—0,12 долл. (СЗС и ВЗУ). Зти последние цифри не намного отли- чаются от аналогичннх показателей для ТЗС и АЗС.

3. ПОЛУЧЕНИЕ ХОЛОДА С ПОМОЩЬЮ СОЛНЕЧНОЙ ЗНЕРГИИ

Для зтой цели используются парокомпрессионнне и абсорбционнне холодильнне установки. Рассмотрим вкратце принцип их работн, а также принцип работн теплового насоса, которнй может применяться для ох- лаждения и отопления здания.

Парокомпрессионная холодильная установка, схема которой показана на рис. 6, состоит из испарителя, ком- ирессора, конденсатора, дроссельного вентиля и соеди- нительннх трубопроводов. В качестве рабочего тела — хладагента — в основном используются фреони 11, 12,

22, 113, 114 и др

2

¹1

1 — испаритель; 2 — компрессор; З — конденсатор; 4 — дроссельньїй вентиль

Рве. 6. Схема парокомпресси- онной холодильной установки:

Цикл холодильной установки осуществляется следующим обра­зом. В результате подвода теплота Qn в испарителе хладагент испа- ряется при низкой температуре и соответствующем низком давле- нии. Образующиеся парн хладагента сжимаются в компрессоре, для чего затрачивается работа L_K. При отводе теплота Q_K в конденса­торе пари охлаждаются и конденсируются при более високих (по сравнению с испарителем) температуре и давлении. При прохожде- нии хладагента через дроссельний вентиль его давление и темпера­тура понижаются до уровня давлення и температури в испарителе и часть хладагента испаряется без подвода теплоти извне. Зффек- тивность цикла холодильной установки определяется отношением хо- лодопроизводительности Q„ к работе L_w, затраченной на сжатие па­ра хладагента в компрессоре: e=Q_v/L_K.

Цикл осуществляется в диапазоне температур в испарителе Т_я и конденсаторе Т_к, а максимально возможний холодильний козффи- циент, соответствующий идеальному циклу Карно, равен е= =Г_я/(7\,/Г„).

Холодильний козффициент 8=2+4 и увеличивается при умень- шении разности температур в конденсаторе и испарителе.

Абсорбционная холодильная установка. Для произ­водства холода в абсорбционной установке используется теплота, а рабочим телом служит бинарная смесь хла­дагента и абсорбента. Абсорбент — зта такая жидкость, которая химически связнвается хладагентом при низких температурах и отделяется от него при високих темпе­ратурах. Обнчно используются такие смеси: вода (хла­дагент) — бромистий литий (абсорбент) » аммиак (хладагент) — вода (абсорбент).

Принцип работн бромисто-литиевой абсорбционной холодильной установки поясняется с помощью рис. 7. Установка состоит из гене-

Рис. 7. Схема абсорбционной холодильной установки:

І — генератор; 2 — конденсатор; З —• нспаритель; 4 — абсорбер; $ — насос; 6 — теплообменник; 7. 8 — дроссельньїе вентили

ратора, конденсатора, испарителя, абсорбера, насоса, теплообмення- ка, дроссельньіх вентилей. Как видим, компрессор отсутствует, а давление повншается вначале при растворении хладагента в слабом растворе в абсорбере, а затем насосом. Цикл начинается с випари- вания води из крепкого раствора и перегрева образующегося водя­ного пара в генераторе, куда подводится теплота от солнечного коллектора. Температура в генераторе равна 77—99 °С. Пар из гене­ратора поступает в конденсатор, где он охлаждается приблизительно

_до 37 40 °С водой из градирни и превращается в жидкость, которая

затем вновь частично испаряется при расширении в дроссельном вен- тиле 7 Полное испарение водьі происходит в испарителе при низком давлений и температуре 4 °С, при зтом от воздуха в помещении (или води) отводится теплота, необходимая для испарения хладагента. Пар низкого давлення поступает в абсорбер, где он поглощается слабим раствором, давая крепкий раствор, которнй насосом пода- ется через теплообменник в генератор. В цикле теплота от рабочего тела отводится в конденсаторе (Q_K) и абсорбере (Q_a), а подводится в генераторе (Qr) и испарителе (Qв).

Козффициент преобразования знергии для абсорбционной холо­дильной установки равен отношению холодопроизводительности Q<і к количеству теплоти, подведенной в генераторе, Q_r: <р— Q»IQr- Ти- пичние значення зтого козффнциента для бромисто-литиевой уста­новки 0,6—0,8, а для водоаммиачной — 0,4—0,6. Зти цифри в 5— 7 раз ниже, чем для парокомпрессионной установки с злектроприво- дом, но если учесть КПД преобразования тепловой знегии в злек- трическую, которий составляет 0,33, а также потери знергии в сети, то разница становится значительно меньше.

Тепловой насос — зто как би холодильная установка иаоборот. Он состит из тех же злементов, что и холо­дильная установка, только работает в другом темпера- турном режиме и предназначен для отопления зданий за счет использования теплоти окружающей средьі (воз­духа, водьі, грунта, солнечной знергии) и теплових от- ходов. Тепловой насос может использоваться для отоп- * ления зданий зимой и их охлаждения летом. Существуют парокомпрессионньїе и абсорбционние тепловьіе насоси. Аналогично холодильной установке парокомпреесионннй тепловой насос включает испаритель, компрессор, кон­денсатор и дроссельннй вентиль. Цикл работн теплового насоса осуществляется в диапазоне температур рабочего тела в испарителе. и конденсаторе. Баланс знергии паро- компрессионного теплового насоса записнвается в виде уравнения <7к=<7и+/к, где q_K — количество теплоти, от- водимой в конденсаторе, кДж/кг; q_a — количество теп­лоти, подводимой в испарителе, кДж/кг; /„ — работа сжатия хладагента в компрессоре. Зффективность уста­новки в случае, когда тепловой насос используется для отопления здания, характеризуется тепловим (отопи- тельньш) козффициентом или козффициентом преобра- зования знергии ф=<7к/^к.

Максимальную зффективность имеют теплонасосная и холодильная установки, работающие по обратному циклу Карно в диапазоне температур в испарителе Т_и и конденсаторе Т_&. При зтом щ=Т_к/ {Т_к—Г_и) и г_к—Т_и/

В парокомпрессионном тепловом насосе в качестве источника теплотьі, подводимой к рабочему телу испа- рителя, может использоваться грунтовая вода или вода из реки, моря, озера, влажная почва, наружньїй воздух, солнечная радиация. Подвод и отвод теплоти осуществ- ляются посредством циркулирующего теплоноситбля — води или воздуха. .

В зависимости от источника теплоти и теплоотво- дящей среди различают тепловие насоси типа вода — вода, грунт — вода, воздух — вода, вода — воздух, грунт —воздух и воздух — воздух. Наиболее пригоднн для систем отопления первие три типа, а Для охлажде- ния — остальние.

Для работьі теплового насоса в режимах отопления и охлаждения необходимо иметь специальннй дроссель- ннй вентиль и четирехходовой клапан, обеспечивающий изменение направлення движения хладагента на проти- воположное. Тот теплообменник, которнй бнл испарите- лем в режиме отопления, становится конденсатором в режиме охлаждения и наоборот.

Бакинский завод «Кондиционер» внпускает тепловие насоси типа воздух — воздух, пригодньїе для отопления жилих и общественньїх зданий.

Глава вторая

СОЛНЕЧНЬЇЕ КОЛЛЕКТОРЬІ И АККУМУЛЯТОРЬІ ТЕПЛОТЬІ

4. ТИПЬІ КОЛЛЕКТОРОВ СОЛНЕЧНОЙ ЗНЕРГИИ

Рис. 8. Конструктивньїе зле­ментн плоского коллектора солнечной знергии:

/ — остекяение; 2 — дучеяогяоща- ющая поверхность с трубками для Щ нагреваемой жидкостн; 3 — корпус; 4 — теплоизоляцня

Таким образом получается плоский коллектор для нагре- ва жидкости, общий вид которого показан на рис. 9. Максимальная температура, до которой можно нагреть теплоноситель в плоском коллекторе, не превншает 100 °С и зависит как от климатических данних, так и от харак­теристик коллектора и условий его зксплуатации. Не- смотря на простоту конструкции создание хорошего кол­лектора требует большого искусства. К числу принципи- альннх преимуществ плоского КС9 по сравнению с коллекторами других типов относится его способность

Основним конструктивним злементом солнечной ус­тановки является коллектор, в котором происходит улйв- ливание солнечной знергии, ее преобразование в теплоту и нагрев води, воздуха или какого-либо другого теп- лоносителя. Различают два типа солнечньїх коллекто- ров — плоские и фокусирующие. В плоских коллекторах солнечная знергия поглощается без концентрации, а в фокусирующих — с концентрацией, т. е. с увеличением илотности поступающего потока радиации. Наиболее распространенньїм типом коллекторов в низкотемпера- турних гелиоустановках является плоский коллектор сол­нечной знергии (КСЗ). Его работа основана на принци­

пе «горячего ящика», которнй легко представить себе, если вспомнить, как нагревается на солнце салон закри­того автомобнля, которьій служит своеобразной ловуш- кой для солнечньїх лучей, поступающих в него через про- зрачньїе поверхности остекления. Для того чтоби из- готовить плоский КС9, необходима прежде всего луче- поглощающая поверхность, имеющая надежньїй контакт с рядом труб или каналов для движения нагреваемого теплоносителя. Совокупность плоской лучепоглощающей поверхности и труб (каналов) для теплоносителя обра- зует єдиний конструктивний злемент — абсорбер. Для лучшего поглощения солнечной знергии верхняя поверх­ность абсорбера должна бить окрашена в черннй цвет или должна иметь специальное поглощающее покрнтие. Снижение теплових потерь от абсорбера в окружающее пространство достигается путем применения тепловой изоляции, закрнвающей нижнюю поверхность абсорбера, а также светопрозрачной изоляции, размещаемой над аб­сорбером на определенном расстоянии от него. Все на- званние злементн помещаются в корпус, и производится уплотнение прозрачной изоляции — остекления (рис. 8).улавливать как прямую (лучистую), так и рассеянную солнечную знергию и как следствие зтого — возможность его стадионарной установки без необходимост_чи слежения за Солнцем.

Абсорбер плоского коллектора солнечной знергии, как правило, изготовляется из металла с вьісокой теплопро- водностью, а именно из стали, алюминия и даже из ме­ди. Для низких рабочих температур его можно также изготовить из пластмассн или резинн. Прозрачная изо-

Рис. 9. Общий вид плоского коллектора солнечной знергии:

ву:

too

1 — корпус; 2 — теплоизолядия; 3 — лучепоглоідающая поверхность; 4 — двухслойное остецление; 5 — патрубок для подвода теплоносн- теля (патрубок для отвода нагре-

того теплоносителя не показан

)

ляция представляет собой один или два слоя стекла или полимерной пленки. Может использоваться комбинация из наружного слоя стекла и внутреннего слоя полимер­ной пленки. В случае низкой температури нагрева теп- лоносителя (до ЗО °С) коллектор может вовсе не иметь прозрачной изоляции. Корпус коллектора может бьіть изготовлен из оцинкованного железа, алюминия, дерева, пластмассн. В качестве тепловой изоляции могут приме- няться различнне материальї: минеральная вата, пено- полиуретан и т.п.

Существуют разнообразньїе конструкции плоских КСЗ.

Наиболее широко применяемне конструкции абсорбе- ров плоских солнечннх коллекторов показань! нарис. 10

.

В качестве поглотителя солнечного излучения в коллек­торе типа труба в листе (рис. 10, а) для жидкого теп­лоносителя используется ряд параллельньїх труб диа- метром 12—15 мм, припаянньїх или приваренньїх сверху, снизу или в одной плоскости к металлическому листу и расположенньїх на расстоянии 50—150 мм друг от дру-

Рис. 10. Схемьі абсорберов плос­ких жидкостньїх коллекторов:

а — труба в листе; б — соединение гофрированного и плоского листов; в — штампованннй абсорбер; г — лист с приваренинми прямоугольньїми ка­налами

га. Верхние и нижние' концн зтих "ґруб присоединяются путем пайки или сварки к гидравлическим коллекторам.

В коллекторах для нагрева воздуха (рис. 11) среда движется в пространстве, образованном прозрачной изо- ляцией и лучевоспринимающей поверхностью из метал-

ШШШ³а) Ь)

¹¹

ZzM//Z&/,3 г)

Рис. 11. Схеми плоских воздушних солнечньїх коллекторов с движе- нием воздуха под плоским (а), оребренннм (б) и гофрированньїм (в) абсорбером, через ряд стеклянних пластин (г) и пористую на­садку (д):

1 — остекление; 2 — абсорбер; З — теплоизоляция; 4 — поток воздуха

лического листа плоского (рис. 11, а), с ребрами (рис. 11,6) или гофрированного (рис. 11,в), из стеклянних пластин, наполовину зачерненньїх и наполовину про- зрачних (рис. 11,г), и из пористой насадки (рис. 11,5).

В плоском КСЗ площадь «окна», через которое сол­нечная знергия попадает внутрь коллектора, равна пло­щади лучепоглощающей поверхности, и позтому плот*

ность потока солнечной радиации не увеличивается. При использовании концентраторов, т. е. оптических устройств типа зеркал или линз, достигается повншение плотности потока солнечной знергии. Зто имеет место в фокусиру- ющих коллекторах солнечной знергии, требующих специ- ального механизма для слежения за Солнцем. Зерка- ла — плоские, параболоиднне или параболо-цилиндри- ческие — изготовляют из тонкого металлического листа или фольги или других материалов с внсокой отража- тельной способностью; линзьі — из стекла или пластмасе. Фокусирующие коллектори обьічно применяются там, где

Рис. 12. Концентратори солнечной знергии:

а -т- параболо-цилиндрический концентратор с трубчатьім приемником ирлуче* ния; б — фоклин; в — параболоидннй концентратор; г —линза Френел#; д — поле гелиостатов с центральним приемником нзлучения; І — отражатель; 2 — приемиик нзлучения

требуются вьісокие температури (солнечнне злер-ро- станции, печи, кухни и т. п.). В системах теплоснаблі'ения зданий они, как правило, не используются. Некоторие типьі концентраторов, используемьіх в фокусирующи.х коллекторах, показанм на рис. 12. Плоские К.СЗ также могут бить снабжени дешевими плоскими отражате- лями.

Кроме описанних двух основних типов КСЗ — плос­ких и фокусирующих коллекторов — разработани и ис­пользуются стеклянние трубчатие вакуумированннв

коллекторьі, солнечнне пруди, представляющие собой комбинацию КСЗ и аккумулятора теплоти, и т.п.

Сравнительная характеристика коллекторов различ- них типов дана в табл. 2.

Таблица 2. Характеристика основних типов солнечньїх коллекторов Тип солнечного коллектора	Рабочая температу­ра, °С	КПД коллек­тора, %	Относи- тельная требуемая площадь, %	Слежеине за Солнцем
Плоский КСЗ	30-100	30—50	100	Не требуется
Солнечішй пруд	40—100	15—25	130	Не требуется
Центральний при-	до 1000	60—75	20—40	Вращение во-
емник с полем ге-				круг двух осей
лиостатов
Параболо-цилин-	до 500	50—70	30—50	Вращение во-
дрическнй концен­				круг одной оси
тратор
Вакуумированний	90—300	40—60	50—75	Не требуется
стекляннмй труб­
чатий коллектор

5. ЗФФЕКТИВНОСТЬ СОЛНЕЧНЬЇХ КОЛЛЕКТОРОВ И МЕТОДИ ЕЕ

ПОВЬІШЕНИЯ

Показателем зффективности КСЗ является его ко- зффициент полезного действия, равньїй отношению теп- лопроизводительности коллектора к количеству солнеч- ной знергии, поступающему на коллектор:

Як⁼ QkK^r А)>

где Qk — тешюпроизводительность коллектора, Вт-ч; Е_к — количество солнечной знергии, поступающей на 1 м² площади поверхностн КСЗ, Вт>ч/м²; А — площадь поверхности абсорбера КСЗ, м².

Величину Q_K можно определить по расходу теплоно- сителя т, кг/с, его удельной теплоемкости С_р, Вт-ч/ /(кг-°С), и разности температур теплоносителя на вьі- ходе Т_г и входе Ті КСЗ, т.е. Q_K=mC_P(T₂—Ті).

Козффициент полезного действия коллектора солнеч­ной знергии определяется его зффективнмм оптическим

зо

КПД TJo и зффективннм козффициентом теплопотерь Кк'-

Тік = По — Як (7\і — Т в)/4, где /_н — интенсивность потока солнечной знергии, посту- пающего на поверхность КСЗ, Вт/м²; Кк — зффектив- ннй козффициент теплопотерь КСЗ, Вт/(м²-°С); Т_в — температура наружного воздуха, °С.

Приведенная внше формула дает мгновенное значе- ние КПД КСЗ, которое может бьіть принято средним для данного часа суток. Но поскольку интенсивность пото­ка солнечной знергии /_к в течение дня изменяется от ну­ля перед восходом и после захода Солнца до максимума в солнечньїй полдень, также сильно изменяется и КПД КСЗ.

Отсюда следует, что среднедневное значение КПД будет значительно ниже, чем его максимальное значение в полдень.

Возникает вопрос — от чего зависит величина КПД коллектора солнечной знергии? Наиболее сильное влия- ние на КПД плоского КСЗ оказивают: 1) метеорологи - ческие параметри — интенсивность солнечной знергин /, измеряемая на горизонтальной поверхности, и темпе- ратура наружного воздуха Г„; 2) конструктивнне ха­рактеристики КСЗ и свойства лучепоглощающей поверх­ности абсорбера — материал и толщина листа, толщина и козффициент теплопроводности тепловой изоляции, шаг труб, число слоев остекления и его пропускательная способность; 3) рабочие параметри- КСЗ — расход теп­лоносителя и его температура на входе в КСЗ.

При сравнении различних материалов, используемнх для изготовления абсорбера, — меди, алюминия, стали, пластмассн — установлено, что с увеличением произве- дения толщинн листа б на его козффициент теплопровод­ности X значение КПД коллектора возрастает. Так, при толщине лучепоглощающего листа в 1 мм из меди, алю­миния, стали или пластмасси [Я,=390; 205; 45 и 0,6 Вт/(м-°С) соответственно] КПД КСЗ составляет 52; 50; 48 и 22 %.

В табл. З приведень! значення козффициента зффективности оребрения металлического листа лучевоспринимающей поверхности плоского КСЗ в зависимости от материала ребра, его толщини и ша­га трубок для теплоносителя (обично в пределах 50—150 мм).

Теплотехническое вдчество лучевоспринимающей поверхности коллектора возрастает при использовании более теплопроводного материала, при увеличении его толщини (хотя влияние здесь неве-

Таблица 3. Козффициент зффективности оребрения F’ абсорбера плоского жидкостного коллектора (толідина листа 1 мм, диаметр труб 25 мм) Материал листа	X, Вт/(м.°С)		Шаг труб, мм	'
		50	100	150
Медь	390	0,989	0,972	0,948
Алюминий	205	0,988	0,967	0,934
Сталь	45	0,984	0,925	0,819

лико) и уменьшении шага трубок. Уменьшение диаметра трубок с 25 до 12 мм влечет за собой снижение козффициента зффективности на 0,03—0,05, но при зтом уменьшается общая теплоемкость коллектора и его тепловая инерция, а следовательно, бьістрее происходит его прогрев. Зазор между лучевоспринимающей поверхностью и остек- лением и между внутренним й наружньїм слоями двухрядного остек- ления обично вибнрают в пределах 15—25 мм. Толщина тепловой изоляции нижней поверхности абсорбера принимается равной 50— 75 мм, а бокових поверхностей — 25 мм.

При возрастании интенсивности инсоляции с 300 до 1000 Вт/м² КПД коллектора увеличивается с 32 до 59 %, а при увеличении температури наружного воздуха с 10 до ЗО °С КПД возрастает с 41 до 55 %.

Очевидно, что в холодний период года КПД обнчного плоского КСЗ весьма низок.

Большое влияние на КПД КСЗ оказьівает темпера­тура теплоносителя на входе в колектор: чем она ниже, тем ниже тепловне потери КСЗ и вьіше его КПД. При увеличении расхода теплоносителя КПД КСЗ возраста­ет до определенного предела, а затем остается постоян- ннм.так что существует оптимальний диапазон значений расхода теплоносителя. КПД КСЗ сильно увеличи­вается при применении абсорбера с селективним покрьт- тием, характеризуемнм большим отношением поглоща- тельной а_с и излучательной є_т способностей. При одно- слойном остеклении изменение степени селективносте абсорбера а_с/е_т с 1 до 12 приводит к увеличению КПД КСЗ с 45 до 60 %.

При испитании коллекторов получают зависимость КПД коллектора г)_к от отношения у разности температур теплоносителя на входе в КСЗ и наружного воздуха ДТ к плотности потока солнечной знергии /_к на поверхность КСЗ. Типичнне характеристики плоских и вакуумиро- ванного коллекторов и областе их применения показани на рис. 13. Как видим, характеристика КСЗ изображает- ся прямой линией. Точка ее пересечения с вертикальной осью соответствует зффективному оптическому КПД ца при угле падения солнечньїх лучей 0°, а тангенс угла на- клона прямой к горизонтальной оси — зффективному козффициенту теплопотерь КСЗ Кк-

Рис. 13. Характеристика коллекторов солнечной знергии:

1 — коллектор без остекления; 2 — коллектор с однослойньїм остеклением; Я — коллектор с двухслойньїм остеклением; 4 — селективний плоский коллектор с однослойньїм остеклением; 5 — стеклянньїй трубчатий вакуумированньїй кол­лектор

Характеристика солнечного коллектора описьівается следующей формулой: тік=ііо—КкУ- При зтом оптиче- ский КПД т)о и козффидиент теплопотерь Ки для кол­лекторов, характеристики коториїх представленн на рис. 13, равнн:

Неселективннй плоский коллектор без остекления То же с однослойньш остеклением , , j _t То же с двухслойньїм остеклением . , , , ,

Чо	Кк, Вт/(М?.°С)
0,95	15
0,85	7
0,75	5
0,8	3,5
0,75	2

Селективний плоский коллектор с однослойннм

остеклением

Вакуум’ированньш стеклянньш трубчатий коллек-

тор _г it. tiiiisltiiiiit

Оптический КПД определяется произведением козф- фициента пропускання солнечного излучения прозра*июй изоляцией т (для 1—3-слойного остекления Т = 0,6 -т- 0,95) и козффициента его поглощения абсорбером а (ос= =0,85-^0,98) и не зависит от Ік и разности температур Д7¹ коллектора Т_к и наружного воздуха Т_в. Тепловие по- тери снижают полезную знергию коллектора и возраста- ют с увеличением разности температур Д7\ Диапазон тйпичньїх значений козффициента теплопотерь Кк— = 1,2-М0 Вт/(м²-°С).

. Из рис. 13 видно, что при у==ДГ//_к<0,013 м²-°С/Вт плоский коллектор без остекления имеет наибольший КПД, в диапазоне значений у до 0,045 м²-°С/Вт коллек­тор с однослойньш остеклением более зффективен, чем коллектор с двумя слоями стекла, при і/>0,025 м²-°С/Вт самим зффективннм является вакуумированньш коллек­тор. Для плавательннх бассейнОв, работающих летом при високих значеннях температури воздуха Т_в и интенсив- йости солнечного излучения в пл ос кости коллектора /к', І^ маяо из-^а ліалой разности температур АТ, и наиболее целесообразно использовать дешевив плоские коллекто- рьі без остекления (в частности, пластмассовне). Об­ласть А (у<0,03 м²-°С/Вт) соответствует прйменению солнечньїх коллекторов для обогрева плавательньїх бас- сейнов, Б (у=0,03-^0,08 м²-°С/Вт) — для горячего во- доснабжения и В (у>0,08 м²-°С/Вт) — для отопления.

Для горячего водоснабжения требуется разность тем­ператур Д7’=20-^50^оС, и чтобн при средней и невьісо- кой интенс»вности солнечного излучения, скажем, 300— 500 Вт/м², давать полезную знергию, требуются неселек- тивнне коллекторн с одним-двумя слоями остекления или селективний коллектор С ОДНОСЛОЙННМ остеклением. Применение двух слоев остеклениіь- снижает тепловие потери, но одновременно увеличивабт оптические поте­ри. Для отопления зданий требуется большая разность

температур AT, которую могут обеспечить только внсо- козффективнне коллекторн, например вакуумирован- нне или плоские с селективним абсорбером.

Обьем промншленного производства соянечного обо- рудования в СССР явно не отвечает современньїм тре- бованиям. В частности, солнечнне коллекторн вьшуска- ютея на Братском заводе отопительного оборудования. Там производится плоский коллектор для нагрева жид- кости, предсітавляющий собой плоскую лучепоглощаю- щук> стальную панель с каналами для води, помещенную в корпус с однослойннм остеклением и тепловой изо- ляцией тьільной сторони абсорбера {рис. 14,а). Габа­рити внпускаемого модуля КСЗ 1530 x 630x98 мм, пло- щадь лучепоглощающей поверхности абсорбера 0,£ м². масса 50,5 кг (в стальном корпусе), стоимость 37 руб. Другими организациями — ПО «Спецгелиотепломон- таж» в г. Тбилиси, опитними производствами инстнту- тов КиевЗНИИЗП и ФТИ АН УзССР в г. Ташкенте^:— в небольших количествах внпускаются КСЗ аналогич- ного типа (рис. 14, б и в) с использованием стальних па­нельних радиаторов типов РГС >илй ЗС, имеющих площадь лучепоглощающей поверхности 0,62—0,72 м², массу от 32 до 36 кг (в алюминиевом корпусе) и стои­мость 46—50 руб. за модуль. Абсорбер покрнт черной краской марок ПФ, НЦ, КО, ХВ или БТ с добавлением сажи. Коллектор имеєт одно- или двухслойное остекле- ние и тепловую изоляцию. Козффициент теплопотерь при однослойном остеклении — ОКОЛО 10 Вт/(м²'°С). Обт>ем производства КСЗ на Братском заводе 100 тис. м² КСЗ в /од. Планнруетсй довести производство до 1 млн. м².в год и улучшить оптико-теплотехнические ха­рактеристики КСЗ, снизив козффициент теплопотерь до

3. Вт/(м²-°С).

За рубежом во многих страиак оргаиизовано массовое промьгш- ленное производство коллекторов -солнечной знергии. Первое место в мире по количеству установленнях КСЗ' занимают США, где об- щая площадь коллекторов составляет (по данннм 1988 г.) 10 мяи. и*, второе место — Япония {8 млн. м^! КСЗ), далее следуют: Израяль — 1,75 млн. м², Австралня— 1,2 мла. м^?. На одного жигеля пршЕОДится в Израиле 0,45, в Австралии— 0,08, в СЩА, Греции и Швейцарии — 0,06 м* площади КСЗ.

Повншейие тепловой зффективности солнечньїх кол­лекторов может бить достигнуто путем применения: кои- центраторов солнечного нзлучения; селективно-поглоща-

Рис. 14. Жидкостнне солнечнне коллектори Братского завода ото- пительного оборудования (а), КиевЗНИИЗП, ПО «Спецгелиоїепло- монтаж» (б) и ФТИ АН УзССР (в):

І — остекление; 2 — уплотнение герметиком; 3 — лучепоглощающая панель; 4 — теплбйзоляция; 5 — корпус

ющего покрьітия абсорбера; вакуумирования пространст- ва внутри коллектора; нескольких слоев прозрачной изо- ляции; сотовой ячеистой структури в пространстве между абсорбером и остеклением и антиотражательньїх покри­тий на остеклении.

В результате применения указанних методов снижа- ются тепловьіе потери коллектора и повншается его КПД.Селективнне поверхности для КСЗ. Наиболее зффек- тивннй способ повьішения КПД плоских коллекторов солнечной знергии связан с применением селективно- поглощающих покрьітий. Второй способ состоит в изме- нении оптических свойств прозрачной изоляции с целью увеличенйя ее отражательной способиости р_т по отно- шению к тепловому излучеінию абсорбера и пропуска- тельной способности т_с для солнечного излучения.

Селективнне покрития для лучепоглощающей по­верхности солнечного коллектора должнн обладать ви­соким козффициентом поглощения etc коротковолнового солнечного излучения (короче 2 мкм), низкой излуча- тельной способностью е_т в инфракрасной области (длин- нее 2 мкм), стабильной величиной степени селективнос- ти а_с/е_т, способностью вндерживать кратковременннй перегрев .поверхности, хорошей коррозионной стойкос- тью, бить совместимьіми с материалом основи и иметь низкую стоимость. Для идеальной селективно-поглоща- щающей поверхности а_с=1 и е_т=0, а для идеальной прозрачной изоляции Тс=1 и рт=1.

Увеличение а_с влияет на зффективность КСЗ в боль- шей степени, чем аналогичное умейьшение е_т. Однако получить високое значение а_с нелегко. Для черной крас­ки а_с не превншает 0,95, такое же значение имеет и е_т. Селективньїе покрития, как правило, представляют со- бой тонкопленочние фильтри, И при увеличении ССс за счет утолщения пленок одновременно возрастает е_т. Са- мьїй распространенньїй тип селективних покритий — зто тонкие пленки на металлической основе, поглощаю- щие видимий свет и пропускающие инфракрасное излу- чение (ИК). Сюда, в частности, относятся покрития из черного никеля и черного хрома, наносимне злектро- химическим способом на подложку из никеля, цинка, олова или меди. Применяются и другие способи нанесе­ння покритий зтого типа. Селективнне краски получают из прозрачньїх в ИК-области полупроводников в виде мелкого порошка с большой порозностью для снижения зффективного козффициента отражения поверхности.

Покрнтие черньїм хромом наиболее перспективно для получения требуемих оптических свойств и внсокой термической стабильности при температурах до 400 °С (в вакууме). Но плотность злектрического тока при на­несений черного хрома почти в 100 раз внше, чем для черного никеля, отсюда и високая стоимость селектив-

них поверхностей с черньїм хромом. В качестве подлож- ки для черного никеля и черного хрома используются ' полированнне металлн. На рис. 15 показано изменение отражательной способности р покрнтия черннм хромом в зависимости от длиньї волньї Я нзлучения

Наилучшие результати получени с черньїм хромом на алюминиевой фольге (ос_с—0,964 и е_т=0,023) и с черньїм никелем на блестящей никелевой подложке (а_с=0,96 и Єт=0,11).

Рис. 15. Зависимость козффи- циента отражения от длиньї воліш для селективной погло- щающей поверхности из черно­го хрома

В настоящее время достигнути значення степени се­лективносте, т. є. а_с/ет=— 10-г20. При степени селектив- ности 20—40 равновесная температура лучепоглощаю­щей поверхностй коллектора (без ее охлаждения тепло- носителем) достнгает 350—600 °С. На остекление может бить нанесено антиотражательное покрнтие из диоксида индия. На полированную поверхность металлического листа, обладающую внсокой отражательной способнос- тью й, слЬдовательно, низким значением є_т, можно нане­сти слой сажи, при зтом козффициент поглощения а_с солнечного нзлучения возрастет до 0,96.

Способи получения селективних поглощаюіцих покритий. Наи-

более простой способ получения селективной поверхности — зто хи- мическое окисление меди, используемой в качестве подложки на других металлах, при зтом получается поглтцающий слой окиси меди. Рассмотрим способи нанесення покритий из черного никеля и черного хрома на сталь с подложкой из блестящего никеля, кото- рьш можно нанести в злектролитической ванне, содержащей 180 г/л NiS04-6H₂0, 40 г/л борной кислоти и 40 г/л NiClj при температуре -50°С, рН=4 и силе тока 3,5—4,5 А/дм^а. Черний никель наносяг В ванне, содержащей 65 г/л NiS04-6H_a0, 20 г/л ZnS0.r7H₂0, ЗО г/л (NH^SO* и 11 г/л NH₄CNS при температуре 25—30 °С _и плотности тока 0,05—2 А/дм². Покрьітие из черного хрома представляет собой пленку, состоящую из мельчайших частий металлического хрома в изолирующей решетке Сг₂0₃. Лри обьічном способе нанесення зто- го покрития требуется високая плотность злектрического тока (75—150 А/дм^г) при температуре 10—15 °С, т. е. с охлажденисм.Разрабатьівается способ нанесення, осуществляемнй при 20—60 °С и пяртносгн тока 7.5 А/дм^г. Состав ванни для нанесення черного хрома на мягкую сталь: Сг₂0з — 300 г/л,_ВаСОз — в колячестве, до- статочном для удаления всех ионов NO4, сахароза — Зг/л, фторси- ликат — 0,5 г/л; температура 12—15 °С, плотность тока 32—36 А/дм^!.

Способи нанесення покрмтий постоянно совершенствуются.

Для плоских солнечньїх коллекторов лучше всего подходят се- лективние черньїе поглощающие краски.

Солнечние коллекгорм с тепловими трубами. В по- следние годн разработанн конструкцин КСЗ с исполь- зованием теплових труб. Как известно, тепловая труба представляет собой вакуумированное герметичное уст- ройство в виде труби или плоского канала с продольнн- ми канавками или капиллярно-пористим телом—фитнлем на внутренней поверхности канала, частично запол- ненного рабочей жидкостью. При подводе тепдоти жид- кость в одной части тепловой труби — в испарительной зоне—испаряется и образующиеся пари переносятся в зону отвода теплоти (в зону коцденсации), где они кон- денсируются, и по капиллярной структуре жидкость воз- вращается в зону испарения.

Возможен широкий вьгбор рабочих жндкостей, в ча- стности могут нспользоваться дистиллированная вода,

Рис. 16. Конструкціїя солнечного коллектора с плоской тепловой

трубой:

/ — остекаение; 2 — тепловії труб» (асиарятеаьная зона); 3 — конденсациоя- ная зона: 4 — труба для отвода теплоти; 5 — тепяоизоляция; в — корпус

ацетон и хладагентьі при низких температурах. В тепло­вой трубе без фитиля, називаемой термосифоном, воз- врат конденсата в.зону испарения происходит под дей- ствием сили тяжести, позтому тепловая труба зтого ти­па может работать лишь приусловии расположения зони конденсации вьіше зоньї испарения. Для КСЗ с теп­ловой трубой характерньї: високая плотность потока пе- редаваемой теплоти и большая компактность устройст- ва, передача теплоти в одном направлений—из зоньї испарения в зону конденсации, отсутствие расхода знер­гии на перенос средьі, передача теплоти при малой раз­ности температур, саморегулируемость. Поскольку в низ- котемпературньїх гелиотермических установках исполь­зуются в основном плоские КСЗ, в них цблесообразно использовать плоские тепловие трубн — термосифони. Вибрав должним образом заполнитель, можно полнос- тью исключить проблеми, связанньїе с коррозией и за- мерзанием системи. На рис. 16 показан пример конструк­тивного виполнения КСЗ с тепловой трубой. Масса КСЗ 25 кг на 1 м² площади поверхности.

Вакуумированнме стеклянньїе трубчатьіе коллекторм. Известно, что поддержание вакуум а ниже 1,33 Па в про- странстве между лучепоглощающей поверхностью абсор­бера и прозрачной оболочкой наряду с одновременннм применением селективних покритий на поверхности аб­сорбера существенно повншает зффективность КСЗ бла- годаря почти полному исключению теплових потерь пу- тем теплопроводности и конвекции, с одной сторони, а также повишению погЛощательной способности и сни- жению потерь теплоти путем излучения, с другой.

Возможнн различние вариантьі конструктивного виполнения вакуумированннх стеклянних трубчатих коллекторов (ВСТК). Некоторие из них показани на рис. 17 (в разрезе) и 18. Внутри стеклянной оболочки 1 из внсококачественного боросиликатного стекла диа- метром 100—150 мм помещаются трубка для теплоноси­теля, лучепоглощающая поверхность, отражатель. Трубка может иметь U-образную форму (а и в) или представ­ляет собой тепловую трубу (б и г). Внутреннее простран- ство оболочки вакуумировано. Отражатель может бить виполнен в виде фоклина (в), может составлять часть оболочки (г) или находиться в виде полос на бокових стенках вакуумированннх труб, используемих в качест- ве прозрачной изоляции (д). В конструкции, показанной

на рис. 17, д, лучепоглощающая поверхность расположе- на под вакуумированньїми трубами и надежно соедине- на с трубками для нагреваемой жидкости, помещенннми в теплоизоляцию. Обнчно модуль коллектора включает ряд (до 10) стеклянньїх вакуумированннх труб, присое- диненннх к общей трубе, по которой движется нагревае- мая жидкость. Как правило, модуль помещается в теп- лоизолированннй корпус. В конструктивном отношении слабим местом является узел соединения стеклянньїх и металлических деталей, имеющих различньїе козффи- циентн линейного расширения при нагревании.

Рис. 17. Поперечное сечение вакуумированннх стеклянньїх трубча­тих коллекторов:

І — стеклянная оболочка; 2 — трубка для нагреваемой жидкости; 3 —лучепо­глощающая поверхность; 4 — отражатель; 5 — теплоизоляция

Итак, для повьішения зффективности вакуумирован­ннх коллекторов используются селективнне покрнтия, отражатели и т. д. На внутреннюю поверхность верхней части стеклянной оболочки наносят покрьітие, например из диоксида индия, обладающее хорошей отражательной епоеобностью для теплового (инфракрасного) нзлучения и не влияющее на козффициент пропускання коротковол- нового солнечного нзлучения. На лучепоглощающую по­верхность абсорбера наносят селективное покрнтйес большой величиной отношения а_с/єт, например из чер­ного хрома, благодаря чему снижаются оптические по- тери КСЗ и потери теплоти путем нзлучения и повнша- ется КПД. Нижняя поверхность стеклянной оболочки может бить внполнена зеркальной. Отражающая поверх­ность может бить размещена под стеклянной оболочкой на небольшом расстоянии от нее. Зто способствует повн- шению КПД солнечного коллектора благодаря исполь- зованию рассеянного излучения.

Рис. 18. Обший вид вакуумированного стеклянного трубчатого кол­лектора:

І — вакуумированная стеклянная оболочка; 2 — труба для нагреваемой жид­кости; 3 —соединение металла со стеклом

В качестве теплоносителя используются различнне среди, в частности вода, растворн органических ве- ществ, силиконовое масло. Температура нагрева тепло­носителя достигает 90—300 °С.

Коллекторн с прозрачной сотовой ячеистой структу- рой. В обнчньїх плоских КСЗ практически невозможно получить температуру, превншающую температуру на­ружного воздуха более чем на 100 °С, из-за високих по- терь теплоти при повншенннх температурах. Одним из зффективннх методов снижения потерь теплоти в КСЗ является ирименение прозрачной сотовой структури, располагаемой между остеклением и лучевоспринима- ющей поверхностью абсорбера и обеспечивающей подав- леине конвективного и частично лучистого теплообмена. По своей конструкции структура напоминает пчелинне сотн и состоит из продолговатьіх ячеек круглого, пря- моугольного или шестиугольного сечения, изготовленннх из стекла или пластмассьі.

В КСЗ с прозрачной ячеистой структурой, предназна- ченной для подавления конвекции воздуха, можно на- греть теплоноситель до 250 °С. Материал для ячеек должен иметь небольшую толщину (0,5 мм), низкий козф­фициент теплопроводности и низкую удельную теплоем- кость. Диаметр ячеек не должен превншать 5 мм, а от- ношение их висоти к диаметру должно бнть в пределах 5—15. Кроме того, материал ячеек должен видерживать достаточно високие рабочие температури.

6. АККУМУЛЯТОРЬІ ТЕПЛОТИ

Необходимость аккумулирования теплоти в гелиоси- стемах обусловлена несоответствием во времени и по ко- личественним показателям поступлення солнечной ради­ации и тецлопотребления. Поток солнечной знергии изме­няется в течение суток от нуля в ночное время до максимального значення в солнечннй полдень (рис. 19, а) -

месяци а) Время дня, ч 5)

Рис. 19. Годовой (а) и суточньїй (б) ход поступлення солнечной знергии (Е) и тепловой нагрузки (Q), отопления и горячего водо-

снабжения

Поскольку тепловая нагрузка отопления максимальна в декабре—январе, а поступление солнечной знергии в зтот период минимально (рис. 19, а), для обеспечения теплопотребления (Q) необходимо улавливать солнеч­ной знергии (Е) больше, чем требуется в данньїй момент (Еі), а ее избьіток (£2) накапливать в аккумуляторе теплоти. Запас знергии в аккумуляторе может бьіть рас- считан на несколько часов или суток при краткосрочном

аккумулировании и на несколько месяцев — при сезонном аккумулировании. Следует отметить, что применение се­зонних аккумуляторов пока зкономически нецелесооб- разно. В целом же применение аккумулятора теплоти повншает зффективность гелиосистемн и надежность теплоснабжения.

Низкотемпературние системи аккумулирования теп­лоти охвативают диапазон температур от ЗО до 100 °С и используются в системах воздушного (ЗО °С) и водя­ного (ЗО—90 °С) отопления и горячего водоснабжения (45—60°С). Система аккумулирования теплоти, как правило, содержит резервуар, теплоаккумулирующий материал, с помощью которого осуществляется накопле- ние и хранение тепловой знергии, теплообменнне устрой- ства для подвода и отвода теплоти при зарядке и раз- рядке аккумулятора и тепловую изоляцию.

Аккумулятори можно классифицировать по характе­ру физико-химических процессов, протекающих в тепло- аккумулирующих материалах (ТАМ):

аккумулятори емкрстного типа, в которнх использу- ется теплоемкость нагреваемого (охлаждаемого) акку- мулирующего материала без изменения его агрегатного состОяния (природний камень, галька, вода, водние ра- створи солей и др.);

аккумулятори фазового перехода вещества, в кото­рнх используется теплота плавлення (затвердевания) вещества;

аккумулятори знергии, основаннне на виделении и поглощении теплоти при обратимнх химических и фо- тохимических реакциях.

В аккумуляторах первой группи происходят последо- вательно или одновременно процесси нагревания и ох- лаждения теплоаккумулирующего материала либо непо- ередственно за счет солнечной знергии, либо через теп- лообменник. Зтот способ аккумулирования тепловой знергии наиболее широко распространен. Основним не­достатком аккумуляторов зтого типа является их боль- шая масса и как следствие зтого — потребность в боль- ших площадях и строительннх об”ьемах в расчете на ІГДж аккумулируемой теплоти.

Сравнение различних теплоаккумулирующих матерй- алов приведено в табл. 4.

Требования к теплоаккумулирующим материалам: ... високая теплоемкость и знтальпия фазового перехода

Таблица 4. Сравнение некотормх теплоаккумулирующих материал ов Характеристика ТАМ	Гранит, галька	Вода	Глауберова сОль (декагидрат сульфата натрия)		Парафин
Плотность, кг/м3	1600	1000	1460т	1330»	786т
Теплоемкость, кДж/(кг-К)	0,84	4,2	1,92т	3,26*	2,89т
Козффициент теплопро­водности, Вт/(м-К)	0,45	0,6	1,85т	1,714*	0,498т
Масса ТАМ для аккуму­лирования 1 ГДж теп­лоти при АТ=20 К, кг	59 500	11 900	3300		3750
Относительная масса ТАМ по отношению к массе води, кг/кг	5	1	0,28		0,32 ,
Обїем ТАМ для акку­мулирования 1 ГДж теплоти при ДГ=20 К, м3 Относительньїй об-ьем ТАМ по отношению к обт>ему води, м3/м3	49,6Ж	11,9	2,26		4,77
	4,2	1	0,19		0,4

Примечания: 1. Обозначения степени следующие: т — твердо* сос-

тояние; ж — жидкое состоянне; • — с учетом обт>ема пустот — 25%.

2. Температура и теплота плавлення: парафин — 47 °С и 209 кДж/кг; гла­уберова соль — 32 °С и 251 кДж/кг.

при достаточно вьісокой теплопроводности; високая плот. ность материала и его химическая стабильность; безо- пасность и нетоксичность; низкая стоимость.

Система аккумулирования тепловой знергии характе- ризуется следующими параметрами: теплоаккумулирую- щей способностью или удельной знергоемкостью, ГДж/м³; диапазоном рабочих температур, °С; скоростью подвода и отвода теплоти при зарядке и разрядке акку-* мулятора, кДж/с.

Аккумуляторьі теплоти емкостного типа (рис. 20) — наиболее широко распространеннне устройства для ак- 'кумулирования тепловой знергии. Теплоаккумулирующую способность или количество теплоти (кДж), которое может бить накоплено в аккумуляторе теплоти емкост­ного типа, определяют по формуле

Q — тС_р(Т₂ — 7^), где пг — масса теплоаккумулирующего вещества, кг;Ср — удельная изобарная теплЬемкость вещества, кДж/ /(кг-К); Ті и Т₂ — средние значення начальной и конеч- ной температур теплоаккумулирующего вещества, °С.

Наиболее зффективний теплоаккумулирующий мате- риал в жидкостннх солнечньїх системах теплоснабже- ния — зто вода. Для сезонного аккумулирования тепло­ти перспективно использование подземньїх водоемов, грунта, скальной породи и других природних образова- ний.

Рис. 20. Аккумулятори теплоти емкостного типа—водяной (а) и галечний (б):

7 — теплообменник; 2 — холодная вода; З — горячая вода; 4 — теплонзолнро- ванньїй бак (бункер); S —слой гальки; S—решетка; 7, S — подвод (отвод)

воздуха

В крупномасштабньїх системах аккумулирования теп­лота достаточно успешно используют железобетоннне и стальнне резервуари вместимостью до 100 тне. м³, в которих горячая вода, обладающая значительной теп- лоемкостью [4,19 кДж/(кг-°С)І, может сохранять при температуре 80—95 °С до 8 тне. ГДж теплоти. Они дос­таточно простн в зкеплуатации, но требуют больших ка- питаловложений. Целесообразно их использование сов- местно с тепловими насосами, в зтом случае их тепло- аккумулирующая способность может удвоиться за ечет более глубокого (до 5 °С) охлаждения води в резервуаре.

Положительннй опит в сезонном аккумулировании теплоти накоплен в Швеции, где успешно зкеплуатиру-

ются крупнне гелиотеплонасоснме системи теплоснабже- ния целнх поселков. Однако для индивидуального поїребления наибольший интерес представляїот аккумуля- тори теплоти для небольших солнечньїх установок го- рячего водоснабження н отопления.

На рис. 21 показаньї прнмерн конструктивного испол- нения баков аккумуляторов вместимостью 200—500 л, применяемьіе в водонагревательннх установках с есте-

Рис. 21. Баки—аккумуляторьі горячей водьі:

а — бак с подводом холодной води снизу и внутренними перегородками; б —> бак с поплавковьім клапаном для подвода холодной водьі; в — бак с подводом теплотьі из КСЗ через теплообменник; г — секционированньїй бак с злектро- нагревателеи; /,— теплоизолированньїй корпус; 2 — перегородка; 3—-поДвод холодной водьі; 4 — отвод горячей водьі; 5 — поплавковий клапан; 6 — опуск­ная труб?; 7 — теплообменник; 8 — злектронагреватель; 9 — теплообменник

ственной и лринудительной циркуляцией. Как правило, используется вертикальний стальной бак вьісотой в 3— 5 раз больше его диаметра для обеспечения температур­ного расслоения води. Тепловие потери бака снижаются путем применения теплоизоляции типа стекловати тол- щиной.не менее 50 мм. Внутренняя поверхность бака, контактирующая с водопроводной водой, должна бьїть защищена от коррозни. Для зтого бак должен бить из- готовлен из нержавеющей стали, иметь змалевое покрн- тие или анод из магния или анодную защиту с внешним источником злектричества. В баке могут бьіть предусмот- реньї горизонтальние перегородки (рис. 21 ,а и г), по­плавковий клапан для подвода холодной водьі (рис. 21, б) и труба для ее поступлення в нижнюю часть бакга, теплообменник в двухконтурной системе для подвода теплоти от КСЗ (рис. 21, в и г), злектронагреватель и теплообменник для отвода теплоти в систему отопле- ния (рис. 21, г). Перегородки разделяют бак на секции с различньїми уровнями температури води по вьісоте, так что в верхней части бака вода имеет более високую температуру, чем в нижней. Зто повншает зффектив- ность аккумулирования теплоти. В схемах а и б тепло- носителем в КСЗ служит вода, а в схемах ваг —анти­фриз, позтому используется теплообменник для переда- чи теплоти от антифриза к воде. .

Галечний аккумулятор теплоти (рис. 22). В солнеч- ннх воздушних системах теплоснабжения обично при- меняются галечньїе аккумулятори теплоти, представляю- щие собой емкости круглого или прямоугольного сече- ния, содержащие гальку размером 20—50 мм в виде насадки из плотного слоя частиц. Аккумулятори зтого ти­па обла'дают рядом достоинств, но по сравнению с во­дяним аккумулятором в зтом случае требуется больший об"ьем. Галечний аккумулятор может располагаться вер­тикально или горизонтально.

Горячий воздух, поступающий днем из солнечного коллектора в аккумулятор, отдает гальке свою теплоту, и таким образом происходит зарядка аккумулятора. При разрядке аккумулятора ночью или в ненастную погоду воздух движется в обратном направлений и отводит теп­лоту к потребителю.

I

При одинаковой знергоемкости обьем галечного ак­кумулятора теплоти в 3 раза' больше обьема водяного бака-аккумулятора. Так, при массе гальки 10 т, пороз- ности слоя є=0,4 и плотности частиц 1850 кг/м³ требу­ется обьем галечного аккумулятора, равннй V=m/р (1— є) =9 м³. Приняв, что при разрядке аккумулятора на­чальная температура частиц гальки равна 65 °С, а их конечная температура 21 °С, что вполне реально при воз- душном отоплении с помощью вентиляционной системи, получим количество теплоти, которое можно использо- вать для отопления из аккумулятора [удельная теплоем-

кость гальки с=0,88кДж/(кг-К) или 1630кДж/(м³-К)]:

Q = ҐҐІС ( Тнач Ткон

) == ю⁴-0,88(65—21) = 387,2 МДж. При часовой тепловой нагрузке 20 МДж/ч зтого запаса знергии хватит на 19,36 ч.

Аккумуляторм теплотн фазового перехода. Основное щзеимущество теплота с фазовьім переходом — високая

Рис. 22. Общин вид галечного аккумулятора:

і —кришка; 2 — бункер; З— бетонньїй блок; 4— теплоизоляция; 5 —сетка;

6 — галька

удельная плотность знергии, благодаря чему существен- но уменьшаются масса и об^ем акКумулятора по срав- нению с емкостннми аккумуляторами.

Для низкотемпературнух солнечннх систем тепло- снабжения в аккумуляторах фазового перехода наибо­лее пригодньї органические вещества (парафин и неко- торне жирнне кислоти) и кристаллогидрати неоргани- ческих солей, например гексагидрат хлористого кальция СаСЇг'бНгО или глауберова соль Na₂S0₄-ЮН₂0, плавя- щнеся при 29 и 32°С соответственно. При нспользова- нии криєталлогидратов возможно разделение смеси и ее переохлаждение, визивающие нестабильно.сть зтих не­дорогих веществ и снижающие число рабочих циклов. Для устранения зтих недостатков к теплоаккумулирую- щему материалу добавляют специальние вещества, кото- рие обеспечивают равномерную кристаллизацию распла- ва и способствуют длительному использованию материа­ла в многократних циклах плавлення — затвердевания. Для организации зффективного теплообмена использу- ются оребренньїе поверхности, капсули, заполненнне теплоаккумулирующим материалом, а также теплопро- водние матрици (ячеистие структури). Зто необходимо в первую очередь при использовании органических ве­ществ, имегощих очень низкий козффициент теплопро- воднвсти [0,15 Ві/(м.°С)1.

6. СОЯНЕЧНЬІЙ ПРУД

В солнечной пруду происходит одновременно улавли- вание и накапливание солнечной знергии в большом обьеме жидкости. Обнар.ужено, что в некотррьіх естест- Венних солених озерах температура водЬГу, дна может достигать 70 °С. Зто обусловлено високой концентраци- ей соли. В обичном водоеме поглощаемая солнечная знергня нагревает в основном поверхнбстннй слой и зта теплота довольно бистро теряется, особйно в ночние часи и при холодной ненастной погоде из-за испарения води и теплообмена с окружающим воздухом. Солнечная знергия, проникая через всю массу жидкости в солнеч- ном пруду, поглощается окрашенньш в темний цвет дном и нагревает прилегающие слой жидкости, в результате чего температура ее может достигать 90—100 °С, в то время как температура поверхностного слоя остается на уровне 20 °С. Благодаря високой теплоемкости води в солнечном пруду за летний сезон накапливается боль- шое количество теплоти, и вследствие низких теплових потерь падение температури в нижнем слое в холодний период года происходит медленно, так что солнечньїй пруд служит сезонним аккумулятором знергии. Теплота к потребителю отводится из нижней зони пруда.

Схема солнечного пруда и график изменения темпе­ратури по его глубине дани на рис. 23. Обнчно глубина пруда составляет 1—3 м. На 1 м² площади пруда тре- буется 500—1000 кг поваренной соли, ее можно заменить хлоридом магния.

Наиболее крупний из существующих солнечньїх прудов нахо­дите» в местечке Бейт-Ха-Арава в Израиле. Его площадь составляет 259000 м². Он используется для производства злектрознергии. Злек- трическая мощность знергетической установки, работающей по цик­лу Ренкина, равна 5 МВт. Себестоимость 1 кВт-ч злектрознергии значительно ниже, чем на СЗС других типов. Удельная стоимость самого пруда составляет 24 руб/м², а при площади в 1 млн. м⁵ — всего 6 руб/м².

Рис. 23. Схеиа солнечного пруда (а) я изменение температури (б) жидкости по вмеоте пруда:

1 — пресная вода; 2 — изолнрующнй слой с увеличнвающейся книзу кандент- рацией; З — слой горячего раствора; 4 — теплообменник

Описанннй зффект достнгается благодаря тому, что по глубине солнечного пруда поддерживаетея градиент концентрации соли, направленньїй сверху вниз, т. е. весь обьем жидкости как бн разделен на три зоньї, концент- рация соли в которнх возрастает от поверхости к дну. Верхний тонкий слой (10—20 мм) практически пресной води граничнт с неконвективньш слоем жидкости боль- шой толщинн, в котором концентрации соли по глубине постепенно увеличиваетея и достигает максимального значення на нижнем уровне. Толщина зтого слоя состав­ляет ²/з общей глубиньї водоема. В нижнем конвектив- ном слое концентрадня соли максимальна и равномерно распределена в обьеме жидкости. Итак, плотность жид­кости максимальна у дна пруда и минимальна у его по­верхности в соответствии с распределением концентра­ции соли. Солнечньїй пруд служит одновременно коллек- тором и аккумулятором теплоти и отличаетея низкой стоимостью по сравнению с обачними коллекторами сол- нечной знергии. Отвод теплоти из солнечного пруда мо­жет осуществляться либо посредством змеевика, разме- щенного в нижнем слое жидкости, либо путем отвода жидкости из зтого слоя в теплообменник, в котором цир- кулирует теплоноситель. При первом способе меньше на- рушается температуїіное расслоение жидкости в пруду, но второй способ теплотехнически более зффективен и зкономичен.

Солнечнне прудн могут бьіть использованьї в гелио- системах отопления и горячего водоснабжения жилнх и общественньїх зданий, для получения технологической теплоти, в системах кондиционирования воздуха абсорб- ционного типа, для производства злектрознергии.

Г л а в а т р ет ья СОЛНЕЧНЬІЕ УСТАНОВКИ КОММУНАЛЬНО-БЬІТОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ

8. СОЛНЕЧНЬІЕ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНЬІЕ УСТАНОВКИ

На отопление, горячее водоснабжение и кондициони- рование воздуха в жилнх, общественннх и промьішлен- ннх зданиях расходуется ЗО—35 % общего годового знер- гопотребления.

Наиболее крупная солнечная система теплоснабжения в СССР построена в пансионате в г. Кастрополе (Крим), там суммарная площадь 1850 солнечньїх коллекторов" равна 1600 м². В целом по стране введено в действие более 50 демонстрадионннх и опитних солнечньїх уста­новок теплохолодоснабжения с суммарной площадью поверхности коллекторов более 10 000 м², Стоимость плоских Солнечньїх коллекторов 50—75 руб. в расчете на 1 м² площади лучевоспринимающей поверхности, а стои­мость всей системи теплоснабжения в 3—5 раз внше.

Максимальная суточная производительность плоско­го солнечного коллектора Братского завода равна 70— 100 л горячей води на 1 м² площади КСЗ в летний сол- нечньїй день, а годовая зкономия топлива от применения солнечньїх систем теплоснабжения составляет 100 — 170 кг условного топлива на 1 м² площади КСЗ в зави- симости от района странн, в котором установленн кол- лекторьі.

Масштаби использования солнечной знергии зависят прежде всего от метеорологических условий — количест- ва солнечньїх дней в году, годового количества поступа­ющей солнечной радиации и его распределения по сезо­нам, температурьі наружного воздуха и т. п. В районах, имеющих более 1800 ч солнечного сияния в год, целесо- образно использовать солнечную знергию для теплохо- лодоснабжения зданий. Солнечньїе водонагревательньїе установки получили довольно широкое распространение благодаря простоте их конструкции, надежности, бьіст- рой окупаемости.

Сейчас во всем мире в зксплуатации находится бо­лее 5 млн. солнечньїх водонагревательньїх установок, используемьіх в индивидуальцнх жилих домах, централи- зованннх системах горячего водоснабжения жилих и об- щественннх зданий, включая гостиницьі, больници, слор- тивно-оздоровительньїе учреждения и т. п. Налажено промьішленное производство солнечньїх водОнагревате- лей в таких странах, как Япония, Израиль, Кипр, США, Австралия, Индия, Франция, ЮАР и др.

По принципу работьі солнечньїе водонагревательние установки можно разделить на два типа; установки с ес- тественной и принудительной циркуляцией теплоносите­ля. В последние гОдьі все больше производится пассив- ннх водонагревателей, которие работают без насоса, а следовательно, не потребляют злектрознергию. Они проще в конструктивном отношении, надежнее в зксгілу- атации, почти не требуют ухода, а по своей зффективно- сти практически не уступают солнечним водонагрева- тельньїм установкам с принудительной циркуляцией. Бо­лее половини пассивньїх водонагревателей составляют установки термосифонного типа с естественной циркуля­цией, а остальньїе—зто компактньїе водонагреватели, в которих бак-аккумулятор горячей води и коллектор солнечной знергии об^единени (интегрированьї) в еди- ное компактное устройство.

Водонагреватели с естественной циркуляцией водьі. Принцип работьі солнечной водонагревательной установ­ки термосифонного типа с естественной циркуляцией теп­лоносителя иллюстрируется схемой, показанной на рис. 24, а. Установка содержит коллектор солнечной знергии, бак-аккумулятор горячей водьі, под-ьемную тру­бу и опускную трубу. В нижнюю часть бака-аккумулято- ра подводится холодная вода (ХВ), и из его верхней ча­сти отводится к потребителям горячая вода (ГВ). Пере-

Ряс. 24. Схема (а) и конструкция (б) солнечного водонагреватедя с естественной циркуляцией:

а: І — солнечньїй коллектор; 2 — бак- аккумулятор горячей води; б: / — термостат; 2— горячая вода; З — бак горячей водьі; 4 — расширитель* нмй бак; 5 — горячий теплоноситель? 6 — теплооблїенник; 7 — подвод' холод- ной водьі; 8 — обратная труба; 9 — коллектор; 10 — злектронагреватель

численнне злементн образуют контур естественной цир- куляции водьі. По подьемной трубе горячая вода из кол­лектора солнечной знергии поступает в бак-аккумулятор, а по опускной трубе из бака в коллектор поступает бо­лее холодная вода для нагрева за счет поглощенной сол­нечной знергии. Поскольку средняя температура води в подіьемной трубе внше, чем в опускной, плотность во- ¹ ди, напротив, ниже во второй трубе. И вследствие зтого возникает разность давлений (Па), визивающая движе- ние води в контуре циркуляции:

Ap = gH( pi —р_г),

где g — ускорение свободного падения, равное для рав- нинннх районов 9,81 м/с²; Я— разность отметок низа солнечного коллектора (нулевой уровень) и места под­вода горячей водьі в бак-аккумулятор, м; рі — плотнОсть водн в опускной трубе при температуре Т_и кг/м³; р₂ — плотность водн в подьемной трубе при температуре Г₂, кг/м*.

Очевидно, что чем больше разность температур водн, тем больше разность давлений и интенсивнее движение вОдн. Аналогичное влияние оказнвает увеличение раз­ности отметок Я.

Непременньїм условием зффективной работн солнеч­ной водонагревательной установки термосифонного типа является тепловая изоляция всех нагретнх поверхно­стей— прежде всего бака-аккумулятора, под'ьемной и опускной труб, патрубка для отвода горячей водн к во- доразборннм кранам или душу и воздушника. Толщина тепловой изоляции бака должна бнть 50—75 мм при ис- пользовании минеральной ватн или другого материала с козффициентом теплопроводности 0,04—0,045 Вт/{м • К), а для трубопроводов — от 25 мм для опускной трубн до 50 мм для подьемного и соединительннх трубопроводов. Точка присоединения подьемной трубн к баку-аккуму- лятору должна находиться в йерхней части бака на рас- стояйии не менее % внсотн бака От его днища, а патру­бок для подпитки холодной водн следует присоеДинять к нижней части бака. При необходимости испольЗова- ния злектронагревателя для догрева водн внутри бака- аккумулятора его необходимо располагать горизонталь­но и размещать в верхней части бака. При соблюдении указанньїх условий обеспечивается температурное рас- слоение (стратификация) жидкости по внсоте бака, при зтом температура водн в нижней части бака ниже, чем в верхней. Благодаря зтому в коллектор поступает вода с невьісокой температурой, КПД коллектора возрастает и солнечная знергия используется более зффективно.

Более вьісокое положение бака-аккумулятора относи- тельно коллектора солнечной знергии в водонагреватель- них установках термосифонного типа имеет важное зна­чение не только для обеспечения циркуляции теплоноси­теля в дневное время (на схеме направление движедия— по часовой стрелке), но также и для предотвращения циркуляции водн в обратном направлений—против ча­совой стрелки — в ночное время. Зто возможно при низ- ком положений бака, когда горячая вода из верхней части бака ночью поступает в коллектор, там онаохлаж- дается за счет нзлучения знергии в окружающее прост- ранство и конвекции и возвращается в нижнюю часть бака. Естественно, зто нежелательньїй процесе, так как он вьізьівает потери знергии, и для его предотвращения бак-аккумулятор должен бнть установлен так, чтобьі его днище бьіло више верхней отметки наклонного кол­лектора солнечной знергии на 300—600 мм.

Солнечнне водонагревательньїе установки с естест­венной циркуляцией теплоносителя являются саморегу- лирующимися системами, и расход жидкости в них пол- ностью определяется интенсивностью поступающего сол­нечного нзлучения, а также теплотехническими и гид- равлическими характеристиками солнечного коллектора, бака-аккумулятора и соединительних трубопроводов.

В условиях холодного климата в солнечном коллек- торе следует использовать незамерзающий теплоноси- тель — смесь водьі с зтилен- или пропиленгликолем, ГЛИ- зантин (смесь водьі с глицерином) и др. В зтом случае схема становится двухконтурной. Пример конструктив­ного внполнения водонагревателя с антифризом в кон­туре коллектора показан на рис. 24, б. Теплота, получен- ная незамерзающим теплоносителем в коллекторе, пере- дается воде посредством теплообменника, размещенного в нижней части бака-аккумулятора. По санитарно-гиги- еническим нормам вода должна бьіть надежно защище- на от попадання теплоносителя, содержащего токсичес- кие вещества.

Возвращаясь к рассмотрению компактних интегри- рованньїх водонагревателей, обратим внимание на исход- ную конструкцию, схематически показанную на.рис. 25, а. В теплоизолированном корпусе с остекленной верхней крьшікой 2 размещена. емкость 3 с черной или селектив* ной наружной поверхностью. Для подвода холодной и от- вода горячей водьі предусмотрени патрубки. Зффектив*- ность водонагревателя можно повисить с помощью от*- ражателя, имеющего специальную форму и помещенного внутри корпуса (рис. 25, б). КПД компактних водона- гревателей достигает 60 %. На рис. 26 и 27 показана конструкция компактного водонагревателя с солнечннм коллектором, виполненньщ из теплових труб с надети- ми на них с помощью пружинящих прижимов плоскими ребрами, имеющими селективное покритие в виде фоль­ги, приклееваемой к ребрам. Теплота от абсорбера кол­лектора передается баку-аккумулятору контактним способом с помощью листа, приваренного к ребрам исо- прикасающегося со всей поверхностью днища бака. Пло­щадь солнечного коллектора составляет всего 1,4—1,6 м², обгем аккумулятора равен 60—100 л, КПД водонагре­вателя равен 60 %. Благодаря применению теплових труб зффективность теплообмена достаточна висока, и вода,

5

Рис. 25. Компактний солнечннй водонагреватель емкостного типа:

а — с одной или несколькими ємкостями с водой; б — с отражателем солвеч- ной 9нергии; 1 — корпус; 2 — остекление; 3 — емкость; 4 — подвод холодиой води; 5 — отвод горячей водьі; 6 —отражатель

поступающая в бак, нагревается за счет теплоти, под- водимой от коллектора с помощью контактного листа. В зтом случае полностью исключается возможность за- грязнения води рабочей жидкостью, находящейся в теп­лових трубах.

Водонагревательнме установки с принудительной циркуляцией. Установки с принудительной циркуляцией теплоносителя целесообразно использовать для горячего водоснабжения крупних обьектов. В них солнечний кол­лектор представляет собой большой массив модулей КСЗ. Зти установки имеют большую теплопроизводи- тельность, но, как правило, они довольно сложни. Прип-

І — автоматический Ьоздушннй клапан; 2 — подвод води через поплавковий клапан; 3 — вода в коллектор; 4 — нагретая вода из коллектора; 5 —горячая вода к потребителям

Рис. 26. Комнактньїй солнечньїй водонагреватель:

/ — корпус; 2— остекление; З — теплоизоляцня; 4— тепловая труба; S — реб­ро; 6 — бак; 7 — контактний лист

Рис. 27. Типичная конфигурация бака-аккумулятора компактного водонагревателя:

ципиальная схема установки с циркуляцией водн в кон- туре КСЗ с помощью насоса подачей холодной води в бак-аккумулятор и регулированием температури горя­чей водн, поступающей к потребителю, путем подмеши- вания холодной водн в смесительном клапане показана на рис. 28.

В холодном климате, как правило, применяются двух- контурньїе схеми водонагревательннх установок (рис. 29). В первом контуре, состоящем из солнечного коллек­тора и теплообменника с циркуляционннм насосом и рас- ширительним баком, используется незамерзающий теп- лбноситель. Второй контур образуют бак-аккумулятор, терлобменник и злектрический или газовий котел. Хо­лодная вода подводится в нижнюю часть бака-аккумуля­тора, а вода, нагретая в теплобменнике, поступает в верхнюю часть бака, а оттуда через автоматический смесительньїй клапан и котел подается к потребителям. Все оборудованне, кроме солнечного коллектора, уста- навливаемого снаружи, размещается в зданни, позтому

Ц

Рис. 28. Солнечная водонагревательная установка с принудительной

циркуляцией: “ ■ _•

/ — солнечньїй коллектор: 2 — бак-аккумулятор; 3 —насос; 4 — клапан; ХВ и ГВ — холодная и горячая вода

подобньїе системи могут зксплуатироваться и в холод­ний период года. Газовий котел преДназначен для дове­дення температури горячей води, предварительнй нагре- той за счет солнечной знергии, до требуемого значення. При отсутствин солнечной радиации или недостаточном ее поступлення вся тепловая нагрузка горячего водо- снабжения обеспечивается газовим котлом.

Солнечнне водонагревателя могут использоваться в качестве первой ступени для предварительного подо- грева води в обнчннх топливннх системах горячего во- доснабжения жилого здания.

Для достижения високсгй зффективности всей гелио- топливной системи горячего водоснабжения следует из- бегать смещення горячей и холодной жидкости в баке- аккумуляторе, для чего в нем необходимо поддерживатьтемпературное расслоение (стратификацию) жидкостц. Горячая жидкость имеет меньшую плотность, чем холод­ная, н позтому она находится в верхней части бака, а тем­пература в нем уменьшается сверху вниз. Жидкость по- дается в солнечньїй коллектор из нижней части бака, где она имеет наиболее низкую температуру, и благодаря атому обеспечивается более високий КПД коллектора. Нагретая жидкость из коллектора подается в верхнюю

Рис. 29. Двухконтурная схема солнечной водонагревательной уста­новки:

І — солнечньїй коллектор; 2 — теплообменник; З — аккумулятор горячей водьі;

4 — дублер (газовий котел); 5 —насос; 6 — расширительньїй бак; 7 — автома- тнческий смесительньїй клапан; ХВ и ГВ — холодная н горячая вода

зону бака. Для обеспечения температурной стратифика- ции жидкости в баке можно, в частности, использовать перфорированнне горизонтальньїе перегородки,. разделя- ющие бак на две или несколько зон и предотвращающие перемешивание слоев жидкости с разннми температу­рами. Отводить горячую воду к потребителю необходи- мо из верхней части бака, где также можно установить злектронагреватель, которьій будет обеспечивать требу- емую температуру горячей водн при любнх погодньїх условиях. Однако наилучшим решением является исполь­зование двух баков-аккумуляторов — одного с вьісокой_; температурой жидкости, а второго — с низкой.

По зкономическим соображениям за счет солнечной знергии целесообразно покривать до 80 % нагрузки го­рячего водоснабжения, позтому необходимо использовать наряду с коллектором солнечной знергии (КС9) такжедополнительньш источник знергии (ДИЗ). На рис. ЗО показаньї различньїе схемьі подвода знергии от ДИЗ: 1) непосредственно в бак-аккумулятор (AT); 2) к горя­чей воде (ГВ) на виходе из бака-аккумулятора или 3) к холодной воде (ХВ) на байпасной линии. В качестве ДИЗ может использоваться злектронагреватель или топ- ливний котел. Циркуляция теплоносителя в контуре КСЗ осуществляется насосом Н. Изменение зффективности

Рис. ЗО. Схеми,, подвода тепло­ти от дополнительного источ- ника звергни

сиетемн в зависимости от применяемого способа подво­да дополнительной знергии связано со средним уровнем температури води в коллекторе. При подводе дополни­тельной знергир непосредственно в бак-аккумулятор (рис. ЗО, а) повишается среДняя температура теплоноси- теля в коллекторе, а следовательно, снижается его КПД и теплопроизводительность и в результате увеличивает- ся потребление дополнительной знергии. Зто означает, что солнечная знергия используется недостаточно зф- фективно. Наилучшим образЬм солнечая знергия исполь­зуется при последовательной схеме подключения дубли- рующего источника знергии (рис. ЗО, б). В зтом случае вода предварительно подогревается за счет солнечной знергии до сравнительно невисокой температури, позто- му средний уровень температури теплоносителя в кол­лекторе низкий, а КПД и теплопроизводительность кол- лектора максимальньї. Схема подвода дополнительнойзнергии в холодной воде в байпасной линии (рис. ЗО, в) наименее удачна, так как при зтом недоетаточно полно используется солнечная знергия из-за того, что часть во­дн вообще не нагревается ею, а поступает сразу в топ- лявннй дублер. Что же касается КПД и геплопроизводи- тельности самого коллектора, то в зтом отношении да^ ная схема аналогична второй схеме.

Можно дать следующие рекомендации относительно схемного решения комбинированньїх солнечно-топлив- ннх установок горячего водоснабжения. Во-первнх, не- обходимо обеспечиаать улавливание максимально воз- можного количества солнечной знергии, что достигается, снижением среднего уровня температури теплоносителя в коллекторе и использованием зффективного коллекто­ра. Во-вторьіх, следует исходить из того, что солнечная знергия должна использоваться для предварительного подогрева теплоносителя, в то время как дополнитель- ннй источник знергии (топливо или злектрознергии) — для доведення теплоносителя до требуемой температури. При таком подходе обеспечивается максимальная зко- номия топлива благодаря наиболее зффективному ис- пользованию солнечной знергии. В-третьих, необходимо избегать смеїііения сред с различннми уровнями темпе­ратури в аккумуляторе теплоти, в частности, с зтой точки зрения не рекомендуется размещать злектрона­греватель в нижней части бака-аккумулятора или осу- щертвлять подвод теплоти от дублера непосредственно в бак-аккумулятор гелиоустановки. Как минимум, верх­няя часть бака, где размещается дублер, должна бнть отделена перфорированной перегородкой от нижйей, в которую подводнтся теплота от солнечного коллекто­ра. Оптимальним решеяием является использование двух баков — одного с низкой температурой теплоносителя, обеспечиваемой солнечннм нагревом, а второго с висо­кою температурой, обеспечиваемой дублером.

В настоящее время успешно зксплуатируются уста­новки горячего водоснабжен*ия для сезонних потребите- лей. Так, гелиоустановка в подмосковном пионерлагере «Заездочка» дает 7,5 т горячей водьі в день. Ряд уста­новок построен ПО «Спецгелиотепломонтаж» (г. Тби- лиси) на курортах Грузни. Потенциальнне масштаби использования сезонних установок горячего водоснаб­жения в СССР соответетвуют общей площади поверх­ности солнечннх коллекторов 250 млн. м², при зтом ожи-даемая зкономия топлива оценивается в 40 млн. т услов- ного топлива в год.

На рис. 31 показана схема душевой кабинн, внпуска- емой ПО «Моссантехконструкция». Она изготовляется из асбоцементннх плит. Ее габарити 1850Х1900Х XI150 мм. Коллектор площадью 2 м² и бак вместимос- тью 100 л размещеньї на крьіше. К сожалению, кабипа имеет большую массу, которая без водн в системе со-

Рие. 31. Схема душевой кабинн:

і —коллектор; 2 — бак горячей водьі; 3 —душ; 4, 5 — трубьг; 6, 7 — вентили; В — кран переключення; 9 — водопровод

ставляет 360 кг. За один летний день в Подмосковье можно получить от 120 до 160 л водн с темперзтурой 40 °С, а за се"зон с апреля по сентябрь можно получить зкономию в 400—700 кгусловноготоплива.

Для индивидуальннх потребителей следует рекомен- довать использовать водонагреватели с естественной циркуляцией водьі или компактнне устройства, посколь- ку они имеют хорошую зффективноєть при невьісокой це- не и прости в конструктивном отношении, а следователь- но, и надежнн. .В СССР для теплоснабжения зданий расходуется зна- чительная часть всех потребляемьіх топливно-знергети- ческих ресурсов. Использование солнечной знергии для зтих целей позволит получить существенную зкономию. Уже сейчас в различнмх районах южной части нашей страни зксплуатируются опитнне солнечнне установки теплоснабжения зданий, в перспективе масштаби внед- рения систем солнечного отопЛения будут более значи- тельннми.

Различают активнне и пассивние системи солнечного теплоснабжения зданий. Характерним признаком актив­них систем является наличие коллектора солнечной знер­гии, аккумулятора теплоти, дополнительного источника знергии, трубопроводов, теплообменников, насосов или вентиляторов и устройств для автоматического контро- ля и управлення. В пассивннх системах роль солнечного коллектора и аккумулятора теплоти обнчно внполняют сами ограждающие конструкции здания, а движение теплоносителя (воздуха) осуществляется за счет есте­ственной конвекции без применения вентилятора. В стра- нах ЕЗС в 2000 г. пассивние гелиосистемн будут давать зкономию 50 млн. т нефти в год.

Гелиосистема теплоснабжения может работать зф- фективно только в том случае, если при разработке кон­струкции самого здания учтенн требования, направлен- нне на снижение потребности в тепловой знергии. Зто лучще всего достигается в так називаемих сверхизоли- рованньїх домах, имеющих хорошую тепловую изоля- цию стен, потолка, пола и практически герметичную кон- струкцию наружннх ограждений. В таких домах козф­фициент теплопотерь для стен составляет всего 0,15 Вт/ /(м²-°С), а неконтролируемая естественная инфильтра- ция наружного воздуха в здание характеризуется чрез- внчайно низкой кратностью воздухообмена (0,1 ч^-1). Требуемое качество воздуха внутри помещений обеспе- чивается за счет регулируемой вентиляции (не менее 0,5¹/_ч воздухообмена в час) с утилизацией теплоти уда- ляемого воздуха. Общий козффициент теплопотерь в та­ких зданиях лежит в пределах 0,7—1,2 Вт/(м²-К). Теп- лопотери здания частично компенсируются за счет теп- ловнделения людей, злектробнтовьіх и осветительних приборов и оборудования, которое уменьшает тепловую

нагрузку отопления примерно на ’/з- Общий зффект сверх- изоляции зданий состоит в сокращении длительности отопительного периода и снижении суммарного годово- го расхода теплотьі. Благодаря зтому уменьшается про­должительность периода работьі гелиосистеми и повьі- шаются ее технико-зкономические показатели, а также годовая доля солнечной знергии в покрнтии тепловой на- грузки. Одновременно снижается пиковая нагрузка ото­пления и в результате зтого уменьшается требуемая мощ­ность дополнительного (резервного) источника знергиц. Распределение теплоти между отдельннми комнатами, может осуществляться путем естественной конвекции воздуха через откритне двери.

Второй подход к снижению тепловнх потерь зданий состоит в использовании вьісокозффективннх окон, на- пример со специальннми покрьітиями на стекле или по- лимерньїх пленках, расположенньїх между двумя слоями стекла. Могут использоваться покрития, обеспечивающие високую пропускательную способность по отношению к солнечной знергии, и покрития с низкой излучатель- ной способностью для теплового излучения. При приме- нении таких окон температура внутренней поверхности повьішается и благодаря зтому уменьшается конденса- ция водяних паров на стекле и увеличивается ощущение комфорта. Применение специальннх окон, герметичних рам с вакуумированннм зазором между двумя слоями остекления наряду с уменьшением теплопотерь также снижает уровень проникающего шума.

Итак, в зданиях, в которьіх предусматривается зффек- тивное использование солнечной знергии, должен бить обеспечен внсо&ій уровень сохранения знергии, особен­но в условиях холодного климата. При зтом мощность гелиосистемьі и дополнительного источника знергии, а также их размерн и стоимость будут минималь- ньіми.

Пассивнне гелиосистеми отопления зданий. Для ото­пления зданий используются следующие типи пассивннх гелиосистем:

с прямим улавливанием солнечного излучения, посту- паЮщего через остекленнне поверхности большой пло­щади на южном фасаде здания (рис. 32, а) или через примнкающую к южной стене здания солнечную тепли- цу (зимний сад, оранжерею) (рис. 32, б);

с непрямим улавливанием солнечного излучения, т. е

.с теплоаккумулирующей стеной, расположенной за осте­клением южного фасада (рис. 32, в);

с контуром конвектйвной циркуляции воздуха и галеч- ньім аккумулятором теплоти. Дом с такой системой по- казан на рис. 33. Кроме того, могут использоваться гиб- ридньїе системи, включающие злементн пассивной и ак- тивной гелиосистемн.

Пассивние системи составляют интегральную часть самого здания, которое должно проектироваться таким образом, чтобн обеспечивать наиболее зффективное ис­пользование солнечной знергии для отопления. Наряду с окнами и остекленннми поверхностями южного фасада для улавливания солнечного нзлучения также использу- ются остекленнне проемьі в крьіше и дополнительине окна в верхней части здания, которие повишают уровень комфорта человека, так как исключают прямое попада- ние солнечних лучей в лицо. Одно из важнейших усло- вий зффективной работи пассивной гелиосистемн заклю- чается в правильном виборе местоположения и ориента- ции здания на основе крнтерия максимального поступ- ленияи улавливания солнечного излучения в зимние ме- сяцьі.

Пассивньїе системи простьі, но для их зффективной работн требуются регулирующие устройства, управляю- щие положением тепловой изоляции светопрозрачннх по­верхностей, штор, заслонок в отверстиях для циркуляции воздуха в теплоаккумулирующей стене и т. п.

Прямое улавливание солнечной знергии может зффек- тивно осуществляться при соблюдении следующих усло-

Рис. 33. Солнечньїй дом с прямим улавливанием солнечной знергии, конвективньїм контуром для нагрева воздуха и аккумулированием тепло™ в слое камней:

/— солнцезащитное устрофртв»; 2 — воздушннй коллектор; 3 — чериьій метал- лический лист; 4 — кінНй; 5 — возврат во»духа; S — регулированяе потока воздуха; 7 — свежий воздух; 8 — теплий воздух

вий: 1) оптимальная ориентация дома — вдоль оси вос- ток—запад или с отклонением до 30° от зтой оси; 2) на южной стороие дома должно бнть сосредоточено не ме- нее 50—70% всех окон, а на северной—-не более 10%, причем южнне окна должнн иметь двухслойное остекле- ние, а севернне окна — трехслойное; 3) здание должно иметь улучшенную тепловую изоляцию и низкие тепло- потери всяедствие инфильтрации наружного воздуха;

4) .внутренняя планировка здания должна обеспечивать расположение жильїх комнат с южной сторони, а вспо- могательньїх помещений —с северной; 5) должна бить обеспечена достаточная теплоаккумулирующая способ- ность внутренних стен и пола для поглощения и акку­мулирования теплоти солнечной знергии; 6) для предот- вращения перегрева помещений в летний период над окнами должнн бить предусмотреньї навесьі, козьірьки и т. п. КПД такой системи отопления, как правило, со- ставляет 25—30%, но в особо благоприятньїх климати- ческих условиях может бнТь значительно вьіше и дости­гать 60%. Существенньїм недостатком зтой системи являются большие суточнне колебания температури воз­духа внутри помещений.

Пассивние системи прямого улавливания солнечной знергии имеют наименьшую стоимость для вновь стро- ящихся зданий. Пассивние системи вообще имеют такой же срок служби, как и само здание, и весьма низкие текущие зксплуатационнне расходн. Использование си­стеми прямого улавливания солнечной знергии в суще- ствующих зданиях связано со значительннми трудно­стями, позтому их применение в зтих случаях нецелесо- образно.

Наряду с получением теплоти зти системи также обеспечивают зффективное использование дневного ос- вещения, благодаря чему снижается потребление злек- трознергии. Однако площадь остекления южного фаса­да должна бить значительной, чтобн обеспечить требу- ' емую долю солнечной знергии в покрнтии тепловой нагрузки, а теплоаккумулирующие злементн (тепловая масса) должни бить размещенн. в наиболее благоприят­ньїх местах, чтобн на них попадали солнечнне лучи большую часть дня. Следует избегать излишнего пере­грева тех зон здания, где постоянно находятся люди, а также попадання в них прямих солнечннх лучей, «сол- нечннх зайчиков» и бликов. Вместо остекления верти­кальних стен или наряду с ним может бить использо- вано остекление злементов криши и чердачннх помеще­ний, сообщающихся с жилими помещениями. При зтом облегчается задача размещения теплоаккумулирующих злементов, меньше вознйКает «солнечньїх зайчиков» и уменьшается затенение тепловой масси предметами интерьера и зкстерьера.

Важнейшее требование, пред'ьявляемое к пассивним системам, состоит в необходимости обеспечения теплово­го комфорта и регулирования температурного режима в помещениях. В помещєниях с пассивньїм использова- нием солнечной знергии комфорт обеспечивается при бо­лее низких температурах воздуха по сравнению с обьіч- ними зданиями,' так как температура всех или большин- ства внутренних помещений више температури воздуха и они излучают теплоту на человека, отчего ощущение комфорта повьішается.

Однако при использовании пассивннх систем прямо­го улавливания солнечной знергии трудно поддается ре- гулированию температура воздуха в помещениях из-за большой тепловой инерции их теплоаккумулирующих але₍ментов. Р*ациональное проекіированйе їемпературно- го режима помещений предполагает оптимизацию мас- сьі и размещения каждого из зтих злементов, а также использование навесов и кознрьков, тепловой изоляции светопрозрачних поверхностей в ночное время, автомати- чески управляемьгх заслонок для организации поступле­ння и удаления воздуха, закрнтия и открития окон, фор- точек и фрамуг и т. п.

В зтих системах используются окна и остекленнне по­верхности большой площади в проемах стен на южной стороне дома. Площадь остекления определяется тепло­вой нагрузцой отопления и площадью отапливаемнх по­мещений. Для уменьшения тепловой нагрузки здание должно бнть построено с применением улучщенной теп­ловой изоляции и использованием других мероприятий по сохранению знергии. Зтой цели служит также исполь­зование тепловой изоляции светопрозрачних наруж- НЬІХ поверхностей В ночное время, ДЛЙ tiero MOryf ис- пользоваться теплоизоляционньїе Щитн, ставни, плотньїе шторьі и т. п. В доме, показанном на рис. 33, предус­мотрено прямое улавливание солнечной знергии, а так­же имеется контур естественной конвективной циркуля­ции воздуха, нагретого в коллекторе, с аккумулирбва- нием теплоти в слое гальки и регулированием движения воздуха с помощью клапана, а также солнцезащитное устройство.

Шссивньїе гедиосистемн с остекленной теплоаккуму- лирующей южной стеной (стеной Тромба), окрашенной в черньїй или иной темний цвет, отличаются достаточно внсокой зффективностью и могут иметь несколько вари- антов конструктивного исполнения. Исходньїм вариан-

том является остекленная южная бетонная или камен- ная стена темного цвета, не имеющая отверстий для циркуляции воздуха. Проникающее через одно- или двух- слойное остекление солнечное излучение поглощается поверхностью стенн, покрашенной темной матовой крас- кой, и аккумулируется в массе стеньї, что внзьівает по- вьішение ее температури. Аккумулированная днем теп­лота передается с некоторнм запаздьіванием внутрь помещений посредством нзлучения и конвекции. При толщине бетонной стенн 200 мм запаздьівание составля- ет 5 ч.

Более совершенной является конструкция стенн с отверстиями на нижнем и верхнем уровнях для циркуля- ции воздуха. При атом существенно, улучшается переда­ча теплоти в помещения. Регулирование движения воз­духа можно осуществлять с помощью поворотних засло- нок. Может также использоваться вентилятор небольшой мощности. При использовании пассивной гелиосистемн с теплоаккумулирующей стеной Тромба расстояние меж­ду нею и внутренней стеной здания ограничено, так как зффект лучистого отопления распространяется на рас­стояние 5—7 м. Бетонная или каменная теплоаккумули- рующая стена может бить заменена на так назнваемую водяную стену, состоящую из установленннх друг на друга резервуаров (бочек) с водой, причем зта система даже более зффективна (КПД достигает 35 %), посколь- ку вода имеет високую удельную теплоемкость. Однако зтот тип пассивних систем ,нв подходнт для районов с холодним климатом с преобладанием пасмурннх дней в зимний период.

Разрез дома с пассивной системой отопления и гра- вийннм аккумулятором, расположенним под домом, по- казан на рис. 34. В системв предусмотрени остекленная теплоаккумулирующая стена южного фасада, наклонние окна большой площади в верхней части дома, теплоизо- ляция северной стени и клапан, перекрнвающий осте­кление в ночное время. Распределение теплоти осуще- ствляется за счет естественного движения нагретого воз­духа.

Система с гелиотеплицей (зимним садом, солярием или оранжереей), примнкающей к южной стене здания, может иметь КПД около 60—75 %, но в здание поступа­ет всего лишь 10—30% количества солнечной знергии, падающей на остекление теплици.

При значительной доле диффузного нзлучения КПД зтой системьі на 5—10 % вьіше, чем КПД системи прямо­го улавливания солнечной знергии. При зтом следует применять двух-трехслойное остекление теплицьі в соче- тании с окнами в примьїкающей стене здания. Площадь остекления теплицн должна бьіть в 1—3 раза больше площади окон жилого дома. В гелиотеплице должно бнть предусмотрено аккумулирование знергии в тепловой мас- се (бетонная плита или балка в полу и т. п.). Площадь

Рис. 34. Солнечний дом с гравийним аккумулятором теплоти:

І — остекление; 2 — теплоизоляция; З— окно; 4 — насьіпь; 5 — гравий; 6 — кух­ня: 7 — клапан

остекления теплицьі должна бьіть равна площади по­верхности тепловой массн в полу, а отношение площадей тепловой массн в жилом здании и в гелиотеплице (оран- жерее) должно бнть в пределах 0—1. Стена, отделяю- щая гелиотеплицу (зимний сад, оранжерею) от жилого помещения, может представлять собой теплоизолирован- ную массивную стену толщиной 100—150 мм, причем 25— 45 % площади зтой стенн должно бнть занято окном, Доля остекления восточной и западной стен гелиотеп- лицьі (оранжерей) должна бьіть не более 0,1 общей пло­щади пола гелиотеплицьі (оранжерей). Не следует ис-> пользовать наклонньїе остекленньїе поверхности в оран­жереє, так как при зтом труднее регулировать тепловой режим. Поскольку пол гелиотеплицн (оранжерей) — зто основная тепловая масса, ее следует проектировать с уче- том таких рекомендаций:

стена фундаменте гелиотеплицьі (оранжерей) дол­жна бнть теплоизолирована;

пол и тепловая масса в нем должньї бьіть тепло- и гид- роизолированн для защитьі от грунтових вод;

нижний уровень остекления оранжерей должен иметь отметку 0,15 м от уровня пола для обеспечения хороше- го освещения и зарядки теплоаккумулирующей массн.

Поглощательная способность а пола должна бнть как можно вище, для чего его следует красить в темний цвет (для неокрашенного бетонног'о пола ot=0,65). На полу не должно бнть ковра или половиков, и допускается ми- нимальное его затенение предметами мебели, 15—25 % площади пола может бить занято растениями или дорож- ками. Температура в оранжерее должна бить не внше 25—28 °С зимой и 20—25 °С летом, а при пониження температури до 7—13 °С должно включаться дополни- тельное отоп^іение.

Для улучшения распределения теплоти в жилом по- мещеуии должньї бнть предусмотрени четнре отверстия в стене, обеспечивающие расход воздуха около 0,1 м³/с.

Для северньїх районов СССР представляет определенний инте- рес опит скандинавских стран в разработке пассивннх гелиосистем отопления зданий. В традиционной архитектуре Швеции применяют- ся небольшие и тщательно теплоизолированнме индивидуальнне жилие дома с окнами небольшой площади, ориентированннми на юг, восток и запад, и печньїм отоплением. Современннй шведский стандарт определяет следующие значення козффициентов теплопо­терь для различннх наружннх ограждений здания:

для стен /(=0,3 Вт/м²-°С), что обеспечивается при использова- нии тепловой изоляции из минеральной вати толщиной 130 мм;

для потолка (криши) и пола К= 0,2 Вт/(м²-°С) при толщцне слоя минеральной вати 200 мм;

для окон 2 Вт/(м²-°С) — тройное остекление.

Построеннмй в соответствии с зтим стандартом шведский дом среднего размера для одной семьи имеет годовое знергопотребление 15—20 МВт-ч, включая расход теплоти на отопление и горячее во- доснабжение, а также расход злектрознергии. Зто зквивалентно рас- ходу 1,5—2 м³ мазута. Дом располагают так, чтобьі его светопро- зрачние поверхности не затенялись в холодний период года. Те помещения, в которьіх люди находятся большую часть суток, распо- ^агают на южной стороне здания. Общая площадь окон—менее 15 % площади стен. В неотопительний период необходимо предотвращать попадание солнечньїх лучей в здание, для зтого используют навесьі (кознрьки) или виступи криши, спроектированние так, чтоби про­пускать внутрь здания максимум солнечного излучения весной и осенью и сводить к минимуму попадание прямих солнечних лучей леїом.

Можно испЬльзовать естественную вентиляцию, но поступление воздуха в помещение можно также регулировать с помощью при- строенной к южной стене здания гелиотеплици (зимнего сада, оран­жерей), в котороЙ наружннй воздух зимой подогревается, а удале- ние воздуха из помещений регулируется.

Естественно, в зимний период требуется знергия от дополни- тельного топливного источника из аккумулятора теплоти.

Дома с пассивньїми системами отопления могут строиться на различньїх ширбтах. Примером может служить группа домов, по- строецньїх в ІІІвеции.

Дбухзтажнне жилие дома на 16 квартир в г. Карльстаде (59° с. щ.) били построени в 1984 г. и расположени так, чтоби не било взаимйбго затенения. Каждий дом поставлен на бетонное основание толщиной 150 мм с тепловой изоляцией, а стени сделани из дерева. Дом ]|мееї гелиотеплицу с двойним остеклением. Козффициент теп­лопотерь равен для стен К =■ 0,12 Вт/(м²-°С) (толщина слоя мине- ральной вати 6=360 мм), для пола /(=0,12 Вт/(м²-°С) (6=220 мм), для ррищи /(=0,08 Вт/(м²-°С) (6=550 мм), для окон с тройньїм остеклением и отражающей металлической фольгой Д= = 1,4 Вт/(м²-°С). Воздухообмен осуществляется с йомощью вентиля­тора, и система вентиляции обьединена с отоплением. Кратиость воздухообмена равна 0,5 1/ч. Зимой наружннй воздух прохоДит че­рез гелиотеплицу. В теплий лериод года (с мая тіо сентябрь) окна полностью защищени от попадання солнечньїх лучей с помощью вьіступов криши. Дома потребляют очень мало знергии—27 кВтч/м² 6 £6д. Для отопления дома с жилой площадьй І 00 м² требуется 270Лгкидкого топлива в год.

Р^ализуется совместнмй шведско-западногерманский проект строительства двух жилих домов на 11 квартир каждий в городах Ийгорштадт (ФРГ) и Хальмстаде (Швеция), расположеннмх на шйроте 48,8° и 56,7° с. ш. Среднегодовая температура наружного воз- дуіа +7,9 и +7,2 °С, а его расчетная температура —16 °С.

В обоих случаях используется тяжелая бетонная конструкция здания, южная ориентация, остекление южной стени, гелиотеплица, заіщта от солнечного излучения летом с помощью вьгступающей ЙріЩй, Козффициентн теплопотерь равни для стен 0,2, для окон 1,4, для ^рнши 0,11 и для пола 0,12 Вт/(м²-К). Основание дома — бетон­ная гілита на земле, несущие конструкции — из бетона, остальньїе — из дерева. Отопление — водяное от газового (злектрического) котла. Вентиляция — механическая с утилизацией теплоти удаляемого воз- Іука с помощью теплового насоса. Площадь отапливаемих помеще- (іий 934 м², годовое потребление знергии для отопления 33 000 кВт-ч, удельное потребление теплоти 35 кВт-ч/м² в год.

Рациональное использование дневного освещения. Но-

вое достижение в области пассивного использования сол- нечІой знергии—зто такие архитектурно-планировочньїе И конструктивньїе решения здания, благодаря которим рбеспечивается максимальное использование днев- ного освещения и, следовательно, сокращаются затрати на искусственное освещение, особенно в летнее время. На достижение зтой же цели направлено введение летне- го времени. Кроме того, в жарком климате переход на максимальное использование дневного света существен- но умєньшает тепловую нагрузку на систему кондицио- нирования воздуха. Благодаря применению волоконних световодов естественное освещение может бнть обеспе- чено также для подземньїх сооружений.

Регулирование количества света, проходящего через остекление, может бить осуществлено при использова- нии окрашенного стекла или специального стекла, на которое накладивается небольшое злектрическое напря- жение и благодаря зтому регулируется его пропускатель- ная способность по отношению к солнечному свету. При­менение жидкокристаллических пленок в сочетании с злектрическим напряжением обеспечивает переход от прозрачного стекла к полностью непрозрачному.

Активнне гелиосистеми отопления зданий. В состав активной системи солнечного отопления входят коллек­тор солнечной знергии, аккумулятор теплоти, дополни- тельннй (резервний) источник знергии, теплообменники для передачи теплоти из КСЗ в аккумулятор и из по- следнего к потребителям, насосьі или вентилятори, тру­бопроводи с арматурой и комплекс устройств для авто- матического управлення работой системи.

В зависимости от вида теплоносителя в контуре КСЗ различают жидкостнне и воздушнне гелиосистеми теп- лоснабжения. Теплоносителем в КСЗ может бить жид­кость (вода, 40—60%-ний водний раствор зтилен- или пропиленгликоля, органические теплоносители и др.) или газ (воздух). Использование воздуха позволяет исклю- чить проблеми замерзання и коррозии, несколько сни- зить вес установки, но теплотехнически воздушньїе системи менее зффективньї, чем жидкостньїе. В большин- стве зксплуатируемих гелиосистем теплоносителем слу- жит вода или антифриз. При зтом КПД КСЗ внше, но существует опасность замерзання и коррозии, протечек теплоносителя, его перегрева. Теплота в здании распре- деляется с помощью вентилятора и воздуховодов в воз- душньїх системах или посредством излучающих панелей, радиаторов и конвекторов, рассчитанних на низкотем- пературнмй теплоноситель (в жидкостньїх системах). Если тепловая нагрузка отопления равна 45—60 Вт/м²,

то при использовании напольной системи отопления (по­верхность теплоизолированного снизу пола обогревает- ся теплой водой, циркулирующей по проложенним в нем трубам) достаточно иметь температуру водьі ЗО °С, а тем­пературу поверхности пола 22—24 °С, чтобьг в помеще- нии температура воздуха бнла 18 °С. При зтом козффи­циент теплоотдачи от пола к воздуху составляет 10— І2 Вт/(м²-°С). Пол обнчно вьіполняется из бетона, внут- ри которого прокладнвается ряд полизтиленових труб 020 мм для теплоносителя, снизу размещается слой теп-

Рис. 35. Принципиальнме схеми водяной (а) и воздушной (б) ак­тивних систем солнечного отопления:

ч S ч

в.

S Ч 7

7

а)

? —коллектор солнечной 9нергии; 2 — аккумулятор теплоти; 3 — дополнитель- ііьій источник знергии; 4 — насос (вентилятор); 5 — регулирующий клапан; І — подача МгретОго теплоносителя; 7 — возврат охлажденного теплоносителя

лоизоляции, которий гидроизолируется от слоя каменной Засипки. В другом варианте используются меднне тру­би с алюминиевнм ребром (листом) толщиной 0,5 мм, расположенньїм над елоем жесткого пенополиуретана. Сверху на алюминиевнй лист укладнвается тонкий слой войлока, а на неґо палас. Под отапливаемнм полом может размещаться галечний аккумулятор, через ко- тормй с помощью вентилятора продувается воздух.

ПринЦипиальние схеми жидкостной и воздушной си­стем солнечного отопления (рис. 35, а я б) содержат солнечний коллектор, аккумулятор теплоти, насоси ‘(вентилятори), дополнительннй источник знергии, ре- гулирующую арматуру, подающий и обратний трубопро­води (воздуховоди). На рис, 36 показан жилой дом с жидкостннм солнечннм коллектором на крнше. Ос- тальное оборудование гелиосистеми отопления и горя

-

чего водоснабжения дома размещено в подвале. Там установленьї основной аккумулятор теплоти, теплообмен­ник З для подогрева водн, бак для аккумулирования го­рячей водн, теплообменник 5 для нагрева воздуха для отопления дома, расширительннй бак и теплообменник 8 для передачи теплоти от антифриза к воде. Снаружи дома находится теплообменник 6, предназначенннй для сброса избнточного количества уловленной солнечной теплоти в летний период. Итак, в доме предусмотрено воздушное отопление.

Рис..36. Дом с актйвной гелиосистемой теплоснабжения:

/ — солнеЧннй коллектор; 2 — аккумулятор теплоти; 3 — теплообменник для подогрева воДн; 4 — бак-аккумулятор горячей водн; 5 — теплообменник для нагрева воздуха; 6 — тепЛоббмейнйк для сброса избьіточной теплоти; 7 —рас- щирительяий бак; 8 — теплообменник для нагрева водьі

Основное и всцомогательное оборудование гелиоси­стемн, включая аккумулятор теплоти, теплообменники, насоси, тепловой насос, дополнительнне подогреватели для горячей води и отопления, т. е. все, кроме солнечного коллектора, устанавливаемого ца крише, может разме- щаться в подвале дома или прдстройке.

Сравненйе активних и пассивннх гелиосистем дает возможность виявить их преимущества и недостатки. Преимущества активних гелиосистем связанн с легко- стью и гибкостью и^тегрирования системи со зданием, возможностью автоматического управлення работой си­стеми и снижением теплових потерь. Однако при приме- нении активних гелиосистем часто возникают проблеми, обусловленньїе недостаточной надежностью оборудова- ная, в том числе системи автоматического управлення, неправильними его установкой и монтажом, плохим тех- ническим обслуживанием, опасиостью замерзання и кор­розии, особенно в системах с жидкостньш коллектором солнечной знергии. Существенньш недостатком зтих си­стем является их високая стоимость. В отличие от них пассивние системи прости, надежни в работе и недоро- ги, но они также имеют недостатки. Прежде всего воз­никают трудности с поддержанием температурного ре­жима, необходимого для обеспечения теплового комфор­та в отапливаемих помещениях. Так, в системах с пря­мим улавливанием солнечной знергии из-за недоста­точной масси теплоаккумулирующих злементов и их не­правильного размещения возникают сильние колебания температури в помещениях. При использовании стени Тромба могут иметь место большие утечки теплоти на- ружу, если в ночное время не закривать остекленньїе по­верхности тепловой изолядией. В то же время здания с гелиотеплицей летом могут испнтнвать перегрев. В гиб- ридних системах можно соединить достоииства актив­них ипассивних злементов и устранить многие недос­татки, повисив тем самим зффективность систем при умеренннх капиталовложениях.

10. АРХИТЕКТУРНО-КОНСТРУКТИВНЬІЕ ОСОБЕННОСТИ СОЛНЕЧНЬЇХ

ДОМОВ

Во всем мире имеются памятники древней архитекту- рн, свидетельствующие о том, что стройтели всегда стре- мились придавать зданиям такую форму, размещать их и ориентировать отдельнне елементи (внутренние про- странства, двери, окна и т. д.) таким образом, чтоби максимально исйользовались преимущества климата и ландшафта, а при определении теплового комфорта учитивалась роль деревьев, растительности и водоема, расположенного вблизи здания. В конструкциях зданий часто используются массивние стени и реализуется стремление уменьшить отношение поверхности здания к его об-ьему для снижения колебаний температури воз- духа в помещениях.

Применение в современннх солнечннх домах систем для использования солнечной знергии определяет особен- ности их архитектури, сказнвается на ориентации зда­ния, положений его злементов относительно южного на­правлення и плоскостй горизонта, определяет внбор ма- териалов и конструкций ограждений и т. п. Рассмотрим особенности архитектурно-планировочннх и конструктив­них решений домов с гелиосистемами теплоснабжения и проанализируем решения ряда солнечньїх домов, опит создания которнх может оказаться полезннм при строи- тельстве индивидуальйнх жилих домов с гелиосисте­мами.

Во многих странах мира все более возрастает инте- рес к солнечной или биоклиматической архитектуре. При зтом возникают новне решения, которне нередко расхо- дятся с традиционними представленнями классической архитектури.

Помимо всех требований, предьявляемнх к совре- менному жилищному строительству, солнечная архитек- тура должна обеспечивать улавливание максимального количества солнечной знергии в зимний период с целью снижения потребления топлива. В солнечннх домах ис- пользуются пассивние и активнне гелиосистемн. В пас- сивннх системах солнечная знергия улавливается и аккумулируется в ограждающих конструкціях самого здания: в полу, стенах, потолке. Архитектурно-планировоч- нне решения солнечннх домов определяются особенно- стями климатических условий и имеют специфику в хо- лодном и жарком сухом или влажном климате.

Первая пассивная гелиосистема била запатентована в СІЛА в 1881 г. Зто бил патент на остекленную южную стену темного цвета. В 1972 г. она била вновь запатенто­вана во Франции и по именам изобретателя и архи- тектора получила нйзвание стени Тромба — Ми- шеля.

В СССР построен ряд солнечннх дОмов в южннх рай­онах. По разработке институтов ИВТАН и Армгипросель- хоз й п. Мерцаван (Армения) в 1981 г. построен зкспери- ментальннй жилой одноквартирний дом с актйвной солнечной установкой теплоснабжения, включающей плос­кий КС^ площадью 32,4 м^г, аккумулятор теплоти и си­стему КИП. Гелиоустановка покривает до 55 % годового теплопотребления дома и обеспечивает головую зконо­мию топлива до 3 т условного топлива, Сметная стои- мость гелиоустановки (5,5 тис. руб.) составляет 15,5 % стоимости дома.

Солнечньїй двухквартирньїй дом зксплуатируется в п. Ильичевск Ташкентской обл. Каждая квартира жи- лой площадью 63 м² снабжена независнмой системой сол­нечного теплоснабжения, которая включает КСЗ пло­щадью 56 м², установленннй под углом 70° перед южннм фасадом здания, аккумулятор теплоти емкостью 4 м² (запас теплоти на 2—3 дня) на базе водонагревателя СТД-3071* отдельньїй бак горячей водьі емкостью 0,4 м³ на базе водонагревателя СТД-3070, насос ЦВЦ-6,3-3,5 и водонагреватель-дублер КЧМ-1м на природном газе. Отопительнне прибори — конвектори «Комфорт-20». Не- токсичннй недорогой и не вьізивающий коррозии неза- мерзающий теплоноситель НОЖ-2 используется в конту­ре КСЗ, аккумуляторе теплоти и отопительннх прибо­рах.

Циркуляция теплоносителя в контуре КСЗ — прину- дительная, а в системе горячего водоснабжения и в кон­туре аккумулятора — отопительних приборов —естест- венная. За отопительннй сезон обеспечивается около 30% нагрузки теплоснабжения, а за 7 мес теплого пери­ода—100% нагрузки горячего водоснабжения.

Гелиоустановка пансионата в г. Геленджике зконо- мит 355 т условного топлива в год, что зквивалентно зко- номии 20 900 руб. в год. Разрабоуани и строятся зкспе- риментальнне четьірех-пятикомнатнне жилне дома в Армении и Дагестане с площадью застройки 125 м², отап- ливаемой площадью до 95 м² и обт>емом 264 м³. При площади солнечного коллектора 32 и 58 м^а расчет- ная, доля солнечной знергии в покрнтии нагрузки теп­лоснабжения равна соответственно 0,41 и 0,71. Сметная стоимость дома равна 32 тис. руб. Ожидается, что в год будет економиться соответственно 1,3 и 3,2 т условного топлива.

Зкспер'иментальннй дом фирмн «Филипс» (ФРГ; г. Аахен, 50,5° с. ш.) жилой площадью 116 м² и об-ьемом 290 м³ (рис. 37, а) оборудован зффективной системой для использования солнечной знергии, теплоти грунта и ути- лизации теплоти сточннх вод и удаляемого вентиляцион- ного воздуха. Поставленная при проектировании цель снижения теплопотерь здания била достигнута путем применения улучшенной теплоизоляции стен, двойного остекления окон с отражательним для инфракрасного

излучения покрьітием, уменьшения нерегулируемой ин- фильтрации воздуха и организации принудительной вен- тиляции. Благодаря изоляции стен слоем минеральной ватьі толщиной 250 мм по сравнению со стандартним домом козффициент теплопередачи через стени снизился с 1,23 до 0,14 Вт/(м²-К), а для окон площадью 23,5 м²— с 5,8 до 1,5 Вт/(м²-К). При зтом годовая потребность в теплоте для отопления уменьшилась в 6 раз и состав­ляет 8,3 МВт-ч вместо 49,6 МВт-ч.

Дом используется для проведення исследований и обо- рудоваи гелиосистемой, тепловьш насосом и теплоутили- зационньїми уСтройствами (рис. 37,6). Гелиосистема включает коллектор солнечной знергии площадью 20 м^а, сезонний водяной аккумулятор теплоти емкостью 40 м³ для отопления и бак обьемом 4 м³ для подогрева води. Вода, нагреваемая в коллекторе до 95 °С, посредством теплообменника ТІ передает теплоту воде в аккумулято­ре. Тепловой насос использует теплоту сточннх вод, со- бираемнх в баке 3 емкостью 1 м³, в котором размещен испаритель И теплового насоса, а его конденсатор К рас- положен в баке 4 вместе с злектронагревателем. Тепло­вой насос также отбирает теплоту от грунта с помощью теплообменника Т5, расположениого под домом в земле. Тепловой насос имеет два испзрителя (Я и Т5), и его козффициент преобразования равен 3,5—4 в диапазоне температур 15—^50 °С при мощности привода компрессо- ра 1,2 кВт. С помощью насоса НЗ и трубопроводов акку­мулятор теплоти соединяется с баком 4, а через него — с тепловим насосом 5 и баком 3. В доме предусмотрена вспомогательная стенка, сообщающаяся с грунтом и ис- пользуемая для подогрева (зимой) и охлаждения (ле­том) воздуха (В), поступающего в здание.

Система может работать в различних режимах, и уп- равление ею осуществляется с помощью мини-ЗВМ.

Для отопления здания теплота подается к радиато- рам из сезонного аккумулятора посредством теплообмен­ника Т2. Аккумулятор заряжается до температури 95 °С от солнечного коллектора посредством теплообменника ТІ или от теплового насоса. Вентиляция здания осуще­ствляется воздухом (В), подогретнм в утилизационном теплообменнике T6, удаление воздуха (УВ) производит- ся вентилятором. Для горячего водоснабжения вода, по- даваемая в душ, вначале подогревается в теплообменни­ке ТЗ, размещенном в баке 3 утилизации теплоти сточ-

них вод, а затем догревается до 55 °С в теплообменнике Т4 в баке 4 за счет теплоти, подводимой от коллектора солнечной знергии или от теплового насоса. Аккумуля­тор, баки, два насоса (Н2 и НЗ) и тепловой насос раз- мещенн в подвале, ЗВМ и один насос (НІ) —в мансар- де. Охлажденная использованная вода (ИВ) отводится в канализацию.

Коллектор (рис. 38) внполнен из 18 модулей и раз- мещен на южном скате криши. Модуль КСЗ представ- ляет собой вакуумированний стеклянний баллон, верх­няя часть внутренней поверхности которого имеет покрц-

Рис. 38. Вакуумированннй стек- лянньїй трубчатий коллектор (в разрезе):

1 — стеклянная труба; 2 — теплоотра- жательное покрьітие; З — зеркальньїй слой; 4 — прнемник солнечного излу- чения; 5 — труба для нагрева теплоно­сителя

тне, отражающее тепловое излученне, а нижняя часть покрита посеребренньш слоем, отражающим солнечнне лучи на приемник, которнй изготовлен из покрнтой чер- ной стеклянной змалью U-образной труби для нагрева - емого теплоносителя (води). Оптический КПД коллек­тора равен 0,76, а козффициент теплопотерь 1,5 Вт/ /.(м*-°С).

Дом с нулевой потребностью в топливной знергии, по- строеннмй в 1975 г. в г. Копенгагене (55°43 с. ш., Да- ния), имеет площадь 120 м² и об-ьем 300 м³. Он состоит из двух блоков с плоской кришей, соединенннх жилой комнатой со стеклянной кришей, на которой размещается КСЗ площадью 42 м². Стени, пол и потолок дома име­ют тепловую изоляцию из минеральной вати толщиной 0,3—0,4 м, причем она с обеих сторон обшита фанерой с водоотталкивающим покрнтием. Окна снабженн теп- лоизолирующими ставнями. Свежий воздух в здание по- дается вентиляционной системой. Теплота из КСЗ пере- дается в подземннй бак-аккумулятор об-ьемом ЗО м³ с толщиной слоя минеральной вати 0,6 м. Летом осуще- ствляется вентиляция через остекленний проем в крьіше.Козффициент теплопотерь стен равен 0,14 Вт/(м²-°С), годовая тепловая нагрузка отопления составляет

2300 кВт-ч, а горячего водоснабжения 3050. кВт-ч. Годо­вая теплопроизводительность солнечного коллектора равна 9017 кВт-ч, 25 % зтого количества теплоти исполь- зуется для отопления, 34% —для горячего водоснабже­ния, а 41 % составляют теплопотери аккумулятора.

При строительстве жилнх домов, в которнх предпо- лагается использование солнечной знергии для отопле­ния, необходимо учитьівать следуюіцие положення: солнечньїй дом должен бнть спроектирован таким об­разом, чтобн обеспечивалось максимально возможное улавливание солнечной знергии в холодное время года и минимальное ее поступление внутрь дома летом;

дом должен иметь небольшие тепловне потери, что обеспечивается применением улучшенной тепловой изо­ляции в стенах, полу, потолке, а также уменьшением не- контролируемого поступлення холодного наружного воз­духа и организацией принудительной регулируемой вен- тиляции для поддержания требуемого тепловлажностно- го режима помещений;

по возможности солнечннй дом не должен иметь окон в северной стене, а если зтого йзбежать не удается, то их площадь должна бнть небольшой;

в индивидуальном доме северная стена может бнть полностью или частично засипана землей (постоянно или только зимой), то же относится (в меньшей мере) к вос- точньїм и западннм стенам;

потери теплоти через окна в ночное время могут бить существенно сниженьї благодаря применению ставней или в крайнем случае плотних штор;

потери теплоти вследствие проникновения холодного воздуха должни бить сведеньї к минимуму путем уплот- нения всех щелей и устройства тамбура у входной двери;

солнечньїй дом должен иметь компактную двух-трех- зтажную конструкцию, чтобьі приблизиться к оптималь­ному соотношению его об-ьема и наружной поверхности.

Рассмотрим примерн конструктивного виполнения ряда солнеч- них домов, построенних в различнмх странах, опит которнх можно позаимствовать. Южная вертикальная стена двухзтажного жилого дома в г. Доувер (штат Массачусетс, ЄША, 42° с. ш.) площадью 135 м² служит солнечннм коллектором для нагрева воздуха (рис. 39). Дккумулирование теплоти осуществляется с помощью глаубе- ровой соли (кристаллогидрата сульфата натрия), которая плавится при подводіг теплоти и затвердевает при ее отводе (при 32°С). Ко-

личество аккумулируемой теплоти достаточно для покрития тепло- потребления дома-в течение 10 дней.

ії)

Рис. 39. Дом (а) и схема гелиосистемн отопления (б):

І — коллектор; ! — циркуляция воздуха; З — аккумулятор теплоти

В)

них друг над другом в наклонном положений в теплоизолированном корпусе с прозрачной крншкой (рис. 40,6). Воздух нагревается при движенни между стеклянньшп пластинами и вентилятором подается в аккумулятор теплота, представляющий собой два вертикальних цилиндра диаметром 0,9 и внсотой 5,5 м, заполненньїх 6 т кусков гранита (рис. 40, в). Доля солнечной знергии в покрнтии тепловой нагрузки отопления составляет 0,3.

Другой вариант конструкции жилого дома с пристроенньш к южному фасаду зимним садом (оранжереей) и солнечньїм коллек-

І

Дом в г. Денвер в горах иітата Колорадо (40° с. ш„ США) жи- лой площадью 186 м⁵ снабЯдаї воздушннм солнечньїм коллектором площадью 56 м². уетановлецньїм на крише (рис. 40,а). Коллектор состоит из наполовину зачерненннх стеклянньїх пластин, установлен­

Рис. 40. Внешний вид Д0іМа (а), солнечннй коллектор (б) и схема гелиосистемм (в):

б: І — корпус; 2 — теплоизоляция; 3 — стеклянньїе пластини; 4 — стекло; в: 1 — коллектор; 2 — аккумулятор теплоти; 3 — вентилятор; 4 — воздуховод; 5— распределение теплого воздуха

тором на крьіше показан на рис 41, а. Гибридная пассивно-активная гелиосистема предназначена для отопления и горячего водоснабже- ния. Недостающая знергия подводится от злектронагревателей, раз- мещенних в баке-аккумуляторе системи горячего водоснабжения и внутри отапливаеммх пометений. Включение и вмключение злект­ронагревателей происходит автоматически по сигналу, поступающе- му от системи управлення, содержащей датчики температури, регулятори и термостати. Схема гелиосистемм приведена на рис, 41,6.

Рис. 41. Дом с гибридной гелиосистемой отопления:

а — ввешвий вид дома; б —схема гелиоснстемьі; 1 — солнечньїй коллектор на хрьіше дома; 2— расширнтельнмй бак; З— аккумулятор-подогреватель с злект- рнческим дублером; 4— регулятор; 5 —вентиль; в —насос; 7 — аккумулятор с теплообменником; 8 — радиаторьі; 9 — злектронагреватель; 10 — датчик тем­ператури

10. ГЕЛИОСИСТЕМЬІ ОХЛАЖДЕНИЯ И ТЕПЛОХОЛОДОСНАБЖЕНИЯ

ЗДАНИЙ

Применение солнечньїх установок для производства холод а и кондиционирования воздуха представ ляет боль­шой интерес в условиях жаркого климата, так как при зтом пиковая нагрузка охлаждения совпадает по време- ни с максимумом поступлення солнечной радиации.

Тепловой комфорт человека зависит от скорости от- вода телотьі, определяемой темпер атурой и относитель- ной влажностью воздуха, скоростью его движения, фи- зической активностью человека. Отвод теплоти происхо­дит в результате конвекции, излучения и испарения влаги с поверхности тела человека.

Вибор способа охлаждения здания зависит от кли- матических условий: то, что подходит для сухого жар­кого климата пустинь, не годится для влажного клима- та тропиков и субтропиков. ,

Пассивное охлаждение. Одним из способов пассивно- го охлаждения дома является вентиляцйя прохладньш ночннм воздухом. Однако зтот способ зффективен лишь в тех случаях, когда температура наружного воздуха в ночное время не превншает 18 °С. Вентиляция может бить естественной, когда она осуществляется при открьі- вании окон и дверей, или механической, т. е. с примене- нием вентиляторов. Вентиляция ночннм прохладннм воз­духом охлаждает всю «тепловую массу» дома, т. е. соз- дает запас прохладн на следующий день. Зффективность зтого способа возрастает в случае применения галечного аккумулятора, твердне частицьі в котором охлаждаются при пропусканий прохладного воздуха ночью, а днем са- ми охлаждают наружннй воздух. Воздух, поступающий в дом, можно пропускать по проложенному в земле Ка­наду, цри зтом он охлаждается.

Оригинальное архитектурное рещение жилого дома с пассивной системой теплохолодоснабжения показано на рис. 42, где иллюстрируется принцип работьі системи в режиме охлаждения. Летом наружннй воздух движет- ся вследствие естественной тяги, охлаждаясь перед по- ступлением в дом при прохождении подземного канала и нагреваясь при отводе теплоти от внутренних поверх- ностей дома. Удаление нагретого воздуха осуществляет­ся из верхней точки дома через трубу с жалюзи с север- ной сторони. Отопление дома обеспечивается с помощью пристроенной гелиотеплици и масляних радиаторов. Движение воздуха в доме зимой и летом регулируется с помощью клапанов. Стрелки указивают направление падения солнечньїх лучей в 12 часов дня 21 июня и 21 де- кабря. Зимой они через остекленнне поверхности попада- ют в помещения, а летом нет.

Испарительное охлаждение. Зффективньїм способом охлаждения здания в условиях жаркого сухого климата является испарительное охлаждение воздуха перед его поступлением в помещение или галечньїй аккумулятор. В камере испарительного охлаждения воздух контакти- рует со смачиваемнми поверхностями или струями водьі. Наружньїй воздух с вьісокой температурой (35—40 °С) и низкой относительной влажностью (25—30 %) в ре-

Рис. 42. Солнечньїй дом с пассивной системой теплохолодоснабже- ния (в режиме охлаждения):

/ — клапани регулирования; 2 — 21 июня днем; 3 — 21 декабря днем; 4 — стек- лянная подвижная дверь; 5, 6, 7 — теплий, чистий, горячий воздух

зультате испарения водн охлаждается, а его относитель- ная влажность повьішается. Он используется для охлаж­дения помещений дома, а при пропусканий его через га­лечньїй аккумулятор происходит зарядка аккумулятора прохладой, которая в дневное время используется для охлаждения помещений.

В зданиях с пассивннми гелиосистемами обьічно для вентиляции предусматриваются специальньїе отверстия в противоположннх стенах. Нагретьій воздух удаляется через отверстия в верхней части южной стеньї дома. Бла-

годаря зтому понижается давление воздуха в здании и наружньїй воздух поступает через открьітьіе окна, две- ри и отверстия, расположенньїе в нижней части северной стени.

Радиационное охлаждение. В районах с сухим жар­ким климатом большое количество теплоти излучается в ночное время в открьітьій космос. Температура косми- ческого пространства близка к абсолютному нулю, од- нако атмосфера Земли влияет таким образОм, что зф- фективная температура излучения Ночного небосвода мало отличается от температури наружного воздуха. В условиях прозрачной атмосфери зта температура ни­же температури воздуха на 8—14 °С в жарком влажном климате и на 14—20 °С в жарком сухом климате. Плот­ность потока излучения абсолютно черного тела при тем­пературе небосвода — 11 °С составляет 63 Вт/м², а для материалов с внсокой излучательной способностью при низких температурах, соответствующих длинам волн 8— 12 мкм, плотность потока излучения может составлять 50 Вт/м² и температура излучающей поверхности может понижаться на 20—40 °С. При ясном небе и прозрачной атмосфере вода в мелких откритих резервуарах в горах ночью замерзает.

Описанний зффект можно использовать для радиацн- онного охлаждения здания. Для зтого кршпа дома должна бнть изготовлена из металлического листа с пе- редвижннми теплоизоляционннми щитами (риє. 43,а). В ночное время щити снимают с металлической криши и происходит излучение теплоти в окружающее прост- ранство. Охлаждение помещений осуществляется в ре-

З 1

2

2

і

L

5)

Рис. 43. Радиационное охлаждение дома с излучающей металличес­кой крьішей (а) и резервуаром с водой (б):

1 — металлическая крьіша; 2 — теплоизоляционньіе щитн (нанели); 3 — резер­вуар с водо

й

зультате конвекции воздуха и излучения стен и пола. Для усиления охлаждающего зффекта крьішу можно орошать тонкой пленкой испаряющейся водн. Днем теп- лоизоляционньїе щитн закрьівают крьішу и предотвра- щают ее нагрев солнечной радиацией. Под крншей мож­но разместить теплоизолированную горизонтальную пе­регородку с отверстиями для циркуляции воздуха. В ночное время возникает конвективное движение воз­духа и при его контакте с излучающей крьішей он охлаж- дается и соответственно охлаждает здание.

На металлической крнше дома могут бнть размеще- нн резервуари с водой, имеющие передвижную тепловую изоляцию (рис.-43, б). Толщина слоя водьі 50—100 мм. Ночью в результате излучения происходит охлаждение крнши и води. Резервуари служат аккумулятором охлажденной води и в дневное время закриваются теп­ловой изоляцией.

В условиях жаркого влажного климата требуется не только охлаждение, но и осушение воздуха с помощью адсорбента (силикагеля), которнй можно в виде тонко­го слоя разместить под металлической кришей. В бетон­них стенах и полу предусматриваются канали для цир­куляции воздуха. В ночное время воздух из помещений проходит над слоем силикагеля, поглощающего влагу. Внделяющаяся при зтом теплота передается металличе­ской крьіше и излучается ею в окружающее пространст- во — происходит охлаждение воздуха и корпуса дома. Днем клапани перекрнвают циркуляцию воздуха в сте­нах здания, а наружннй горячий воздух, поступающий в пространство между слоем силикагеля и металличес­кой крьішей, осушает силикагель и тем самим подготав- ливает его для ночного процесса.

За счет радиационного охлаждения можно покрить не менее 25 % нагрузки охлаждения, а при использова- нии силикагеля и вентиляторов на потолке можно отво- дить 100 % избнточной физической и скритой теплоти при температуре в помещениях вьіше 27 °С и относитель- ной влажности до 68 %.

Надежность теплохолодоснабжения повишается с включением в систему теплового насоса.

На рис. 44 показана схема комбинированной систе­ми теплохолодоснабжения здания с йспользованием теп­лового насоса типа воздух—воздух и воздушного солнеч­ного коллектора. В режиме отопления нагретий воздух из солнечного коллектора поступает в галечннй аккуму­лятор теплотн. Йспаритель теплового насоса находнтся внутри аккумулятора, а конденсатор — в воздушном ка­нале распределительной системи отопления. Теплота, полученная рабочим телом в испарителе, вместе с знер-

Рис. 44. Схема гелиотеплонасосной системи теплохолодоснабжения (в режиме отопления):

/ — солнечньїй коллектор; 2 — галечний аккумулятор теплоти; 3 — вентилятор; 4 — компрессор; 5 — йспаритель; 6 — дроссельний вентиль; 7 — конденсатор;: 8 — наружньїй воздух; 9 — воздух из помещения; 10 — сброс воздуха; Ч — воздух в помещение; 12 — запорно-регулирующий клапан

гией привода компрессора теплового насоса отводится в конденсаторе. Забираемнй из помещения воздух, сме- шанньїй в определенном соотношении с наружньїм воз- духом, нагревается за счет теплотн, отбираемой от кон­денсатора теплового насоса, и вентилятором подается в помещение. В состав теплового насоса входит дросседь- ннй вентиль.

В режиме охлаждения переключающие клапани изме- няют йаправление движения воздуха во вторичном кон­туре. Горячий воздух из помещения охлаждается при прохождении через испаритель, в то время как воздух, используемьій для отвода теплотьі из конденсатора, вьі- брасьівается в атмосферу. Охлаждение галечного акку­мулятора происходит за счет циркуляции воздуха в кол­лекторе в ночное время.

В системе с тепловим насосом типа вода—вода, как правило, используются два бака-аккумулятора — один с горячей, а второй с холодной водой—и тепловой на­сос поддерживает заданную разность температур. Такая система надежно работает жарким летом с вьісокой ин- тенсивностью солнечной радиации, мальїм количеством осадков и низкой скоростью ветра. Ее можно применять в республиках Средней Азии.

Аккумулирование тепловой знергии может осуществ- ляться в одном баке, раздел/їнном пергородкой на две секции: верхнюю —для горячей и нижнюю — для холод­ной водьі. С помощью теплового насоса теплота из ниж­ней секции бака, где расположен испаритель, передается в верхнюю, в которой установлен конденсатор. В режиме отопления горячая вода из верхней части бака направ- ляется в систему панельно-лучистого отопления. При ра- боте системи в режиме охлаждения вода в верхней сек­ции бака охлаждается в процессе ночного излучения теплоти коллектором, а для охлаждения помещения ис­пользуется более холодная вода из нижней секции бака, причем необходимую разность температур обеспечивает тепловой насос. Обичньїе кондиционерьі воздуха можно рекомендовать лишь для районов с сухим жарким кли- матом. Во влажном климате необходимо применять спе- циальную установку для осушення воздуха. Использова­ние теплового насоса наиболее целесообразно в таких климатических зонах, где отсутствуют большие колеба- ния летних и зимних температур воздуха и тепловие на- грузки систем отопления и охлаждения приблизительно одинаковьі. В зтих условиях тепловой насос использует­ся круглогодично с полной загрузкой.

На рис. 45 показана схема абсорбционной водо-амми- ачной гелиосистеми охлаждения здания. В зтой системе аммиак служит хладагентом, а вода — абсорбентом. На- гретьтй в солнечном коллекторе теплоноситель с темпера­турой 80 °С поступает в генератор. Из абсорбера силь­ний раствор хладагента (аммиака) в воде подается на­сосом в теплообменник, где нагревается до температури 70 °С и поступает в генератор, в котором при нагревании из раствора вьіделяется аммиачньїй пар. Слабий раствор аммиака через теплообменник стекает в абсорбер, а па­ри аммиака с температурой 75 °С после отделения ка- пелек води направляются в конденсатор. Из конденса­тора жидкий хладагент через дроссельннй вентиль по­ступает в испаритель, где он отбирает теплоту у воздуха (водн) и снова превращаедоя в пар, а охлажденньїй воз­дух (вода) направляется в помещение. Пари аммиака поступают в абсорбер и поглощаются слабим раствором.

J

Рис. 45. Схема водо-аммиачной гелиосистемм кондиционирования

воздуха:

1 — солнечньїй коллектор; 2 — генератор; З — конденсатор; 4 — испаритель; 5 — абсорбер; 6 — теплообменник; 7 — насос; 8 — вентиль; 9 — наружньїй воз­дух; 10 — охлажденньїй воздух; // — холодная вода; /2 — горячая вода

Теплота, внделяющаяся в абсорбере и конденсаторе, от- водится с помощью водн, охлажденной в градирне. В ре­зультате получается нагретая вода. Сильний раствор на­сосом подается через теплообменник в генератор.

В гелиосистеме, показанной на рис. 46, хладагентом служит вода, а абсорбентом — бромистий литий. При подводе теплоти в генераторе происходит испарение во- дьі. Хладагент — перегретий водяной пар — направляет­ся в конденсатор. Образующийся конденсат проходит через дроссельннй вентиль в испаритель, а затем пар поступает в адсорбер, где он смешивается с концентриро- ванннм раствором бромистого лития, стекающим из гене­ратора через теплообменник и дроссельньїй вентиль. В испарителе и абсорбере поддерживается разрежение. Теплота из абсорбера и конденсатора отводится водой, охлажденной в градирне. Предусмотрен бак холодної! водн, и осуществляется подпитка.

В генераторе поддерживается температура в преде- лах 77—99 °С, в абсорбере и конденсаторе — порядка 40 °С, а в испарителе — около 5 °С. При испарении водн в испарителе происходит охлаждение воздуха или водн.

Рис. 46. Схема бромисто-литиевой гелиосистеми кондиционирования

воздуха:

1 — коллектор: 2 — теплообменник: S — аккумулятор теплоти; 4 — котел; 5 — генератор: 6 — испаритель; 7 —абсорбер; « — конденсатор; 9 — градирня; 10 — охладитель воздуха вентилятором

Слабий раствор из абсорбера направляется в генератор, и цикл повторяется. Теплообменник используется для подогрева слабого раствора за счет теплоти, отнимаемой у концентрированного раствора.

В соответствии с рис. 46 из солнечного коллектора че­рез теплообменник или непосредственно теплота пере- дается в бак-аккумулятор. Циркуляция теплоносителя в контуре коллектора й аккумулятора осуществляется посредством насоса Н4 и Н5. Горячая вода из бака-ак­кумулятора поступает в котел, затем подается насосом Н2 в генератор, а из него — в нижнюю часть аккумуля­тора и через трехходовой вентиль — в котел. Зтот вен­тиль предотвращает попадание теплоти из котла в акку­мулятор. Охлаждающая вода из градирни насосом НЗ подается в абсорбер и конденсатор, при зтом ее темпе­ратура возрастает с 24 до 32 °С. Насос НІ подает охлаж- дающую воду для охлаждения воздуха, подаваемого вен­тилятором в здание.

Для установки мощностью 10 кВт требуется солнеч­ньїй коллектор площадью 50 м² (при КПД 34 %), она стоит около 15 тне. руб., в то время как обнчннй злек- трический кондиционер — 800 руб.

Баланс знергии бромисто-литиевой установки мощно­стью 10 кВт характеризуетея следующими величинами мощности потока теплотн (<р=0,8): генератор —

12,5 кВт, конденсатор — 10,55 кВт, абсорбер — 11,95 кВт, градирня — 22,5 кВт.

10. ПЛАВАТЕЛЬНЬІЕ БАССЕЙНЬІ С СОЛНЕЧНЬЇМ ОБОГРЕВОМ

Солнечнне установки наиболее целесообразно приме- нять для низкотемпературньїх процессов. Температура водн в плавательннх бассейнах обнчно поддерживаетея на уровне 20—27 °С, что всего йа 5—15 °С вьіше темпера­тури наружного воздуха, и знергия солнечной радиации в летний период—с начала июня до середини сентяб- ря — вполне может заменить традициойннй йсточник знергии. То же относится и к лечебннм минеральним ваннам, хотя в зтом случае температура водн и несколь- ко внше — 35—38 °С. Благодаря использованию солнеч­ной знергии купальний сезон в открьітнх плавательннх бассейнах будет увеличен на 1,5—2 мес. в год, а в за­критих бассейнах будет обеспечена значительная зконо- мия топлива, особенно с учетом того, что в летний пери­од котлн работают незффективно — с низким КПД. От- ключение котлов на зтот период не только снижает расход топлива, но и уменьшает загрязнение окружаю- щей ередн вреднмми внбросами, в том числе оксидами серн и азота.

В ряде стран (США, Австралия, ФРГ) в течение мно- гих лет успешно зкеплуатируетея большое число частннх и коммунальннх плавательннх бассейнов с солнечньїм обогревом. Зто перспективная область применения сол­нечньїх установок как в спортивно-оздоровительннх уч- реждениях, так и в индивидуальном строительстве в бла- гоприятннх в климатическом отношении районах странн,

В условиях ередней полоси и южной части СССР ге- лиоустановки могут давать как минимум 250—300кВт*ч полезной теплотьі в год с 1 м² площади плоского солнеч­ного коллектора. Одна из возможньїх схем гелиоустано- вок для подогрева водьі в плавательном бассейне пока­зана на рис. 47, а. Вода из бассейна насосом прокачивает- ся через фильтр и .направляется в солнечньїй коллектор. Нагретая вода из коллектора поступает в бас- сейн. В схеме предусмотреньї обратньїй клапан, воздуш- ньій клапан и байпасная линия с вентилем. Коллектор должен бьіть изготовлен из коррозионно-стойких мате- риалов, чтоби не подвергаться агрессивному действию водьі из бассейна. Кроме того, материал должен видер -

Рис. 47. Схеми солнечних установок для обогрева плавательннх

бассейнов:

а — одноконтурная схема; б —схема солнечно-теплонасосной установки: і — бассейн; 2 — насос: З — фильтр; 4 — обратньїй клапан: 5 —коллектор сол­нечной знергии; 6 — воздушник; 7 — байпас с вентилем; 3 —тепловой насос: 9 — теплообменник; 10 — трехходовой клапан

живать температуру от —20 до 70 °С, обладать хорошей поглощательной способностью и високим козффициен­том теплопроводности. Через коллектор прокачивается большое количество води, и должно бить обеспечено та- кое поперечное сечение каналов, чтоби гидравлическое сопротивление било минимальним. Наиболее подходя- щими материалами являются окрашеннне в черний цвет полизтилен, полипропилен и синтетический каучук. Пер- вьіе два материала дешеви, а каучук значительно доро- /Ке, но более стойкий. При годовом поступлении 1050 кВт-ч/м² солнечной знергии на горизонтальную по­верхность и площади КСЗ 800 м² за сезон гелиоустанов-

ка может дать 170 МВт-ч теплотьі, а потребность в теп- лоте составляет 270 МВт-ч. В данном случае КСЗ не имеет остекления, вода в нем подогревается на 3,5 °С, и средняя тепловая мощность установки за сезон состав­ляет 270 кВт, а ее КПД — 38,3 %. Длинньїе оребреннне трубьі изготовленьї из полипропилена, а прямой и обрат- ньій соединительньїе трубопроводи — из полизтиленовнх труб.

Схема комбинированной солнечно-теплонасосной установки для обогрева плавательного бассейна показа­на на рис. 47, б. Летом в бассейне поддерживается тем­пература не ниже 20 °С. Зто обеспечивается с помощью КСЗ. При неблагоприятньїх погодннх условиях включа- ется тепловой насос, использующий КСЗ в качестве ис- парителя.

Для снижения теплових потерь водная поверхность бассейна покрнвается специальной оболочкой. Если тем­пература водн в бассейне вьіше, чем в КСЗ (осенью, вес- ной), то КСЗ отключается, а работает тепловой насос.

В условиях средней части СССР гелиоустановка, предназначенная для поддержания температури води в плавательном бассейне на уровне 20—27 °С, дает за сезон 250—270 кВт-ч полезной теплоти на ї м² площади КСЗ. Для сравнения укажем, что годовая удельная теп­лопроизводительность гелиосистемн горячего водоснаб- жения равна 300—500 кВт-ч/м² в год, а гелиоустановка отопления (ЗО—70 °С) 150—300 кВт-ч/м² в год. БаСсейн теряет теплоту вследствие испарения води, конвекции и излучения в окружающую среду, теплопроводности от дна к грунту и на разогрев. Требуемое количество теп­лоти от обнчного топливного источника равно разности между суммарними теплопотерями бассейна и поступ- лением солнечной знергии.

Тепловьіе потери откритого плавательного бассейна могут бьіть существенно сниженн, если в те периодн, когда бассейн не используется, т. е. в ночное время и в- холодную ненастную погоду, закривать его водную по­верхность. Для зтого можно использовать полимерную пленку или плити из пенопласта. При работе бассейна полимерное покрнтие убирается и хранится в свернутом виде на краю бассейна, плити также могут бить сложе- ньі там же в виде штабеля. Второй вариант зто двух- слойное полимерное покрнтие в виде подушки, которая надувается воздухом и изолирует поверхность води от

наружного воздуха; при работе бассейна воздух вьіпус- кается и благодаря наличию утяжелителей покрьітие по- гружается на дно бассейна. Защита поверхности вОдьі от наружного воздуха позволяет уменьшить тепловьіе поте­ри на 40—50 %, что при площади бассейна 1000 м² зкви- валентно зкономии почти 25—35 м³ мазута за сезон в районах с годовьім поступлением солнечной знергии порядка 1000—1100 кВт-ч/м².

При использовании пластмассовнх коллекторов себе- стоимость 1 кВт-ч теплоти в 3—5 раз ниже по сравне- нию со стандартньїми плоскими КСЗ и в 6—10 раз ниже по сравнению с вакуумированньши КСЗ.

Один из яаиболее крупних открьітьіх плавательннх бассейнов с солнечной установкой в Европе находится в г. Виле (ФРГ) и име­ет площадь поверхности водьі 1500 м² и обьем 2500 м³. Всего в ФРГ зксплуатируется 2800 бассейнов со средней площадью одного бассей­на 1270 м^і, и расход топлива за сезон составляет 92 т нефти на 1 бассейн, а всего потребляется 260 тьіс. т нефти. Общие теплопотери бассейна составляют 2390 кВт-ч/м² за сезон, в том числе за счет излучения с поверхности водн теряется 1570, испарения и конвек- ции — 540, с промнвочной водой — 230, вследствие теплопроводно- сти — 25 кВт-ч/м² и потери при первом разогреве составляют 25 кВт-ч/м². Вследствие поглощения атмосферного и солнечного излучения приход знергии составляет 1730 кВт-ч/м² за сезон, а об- щая потребность в теплоіе за сезон равна 660 кВт-ч/м². Итак, мак- симальнне потери обусловленн испарением и теплоотдачей от во­дн к воздуху, а вторая по величине потеря теплоти — разность между излученнем поверхности водн и поглощением атмосферного излученця (в диапазоне длин волн от 6 до 60 мкм), составляющая 370 кВт-ч/м² за сезон.

Если глубина бассейна не превьішает 1 м, то его дно и стеньї должньї бьіть покрашеньї краской с вьісокой по- глощательной способностью, а дно, кроме того, должно иметь шероховатую поверхность. Для промивки фильт- ров используется теплая вода, норма расхода на одну промивку — 0,9 м³ на 1 м² поверхности бассейна. Теп­лоту промнвочной водьі необходимо утилизировать, уста­новив после фильтров теплообменник.

При реализации всех трех указанньїх способов знер- госбережения потребность в теплоте снижается до 260 кВт-ч/м² за сезон, что составляет всего 40 % перво- начального значення. При зтом требуемая площадь плос­кого КСЗ уменьшается до 0,4 м² (вместо 1 м²) на 1 м² площади поверхности водн в бассейне. При зтом годо­вое теплопотребление бассейна составляет 700— 800 МВт-ч, среднесуточная теплопроизводительность ге- лиоустановки за период май—сентябрь 2,5 кВт-ч/м² в день (максимум 6 кВт-ч/м² в день) при площади по­верхности води КСЗ 1500 м², температура водьі на вхо­де в КСЗ 20—27 °С, а на виходе 24—36 °С при расходе 10—90 м³/ч.

Главачетвертая

СОЛНЕЧНЬІЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

10. СОЛНЕЧНЬІЕ ТЕПЛИЦЬІ, СУШИЛКИ И КУХОННЬІЕ ПЕЧИ

В сельском хозяйстве имеются большие возможности для применения солнечньїх установок — в растениеводст- ве, животноводстве и садоводстве. Речь идет прежде все­го о гелиотеплицах, сушильних установках, горячем во- доснабжении и отоплении ферм по разведению крупного рогатого скота, свиней, птиц, о подогреве водн для бас- сейнов для разведения риб, о холодильних установках и т. п. Например, в сельском хозяйстве Голландии— странн с наиболее современннм сельским хозяйством — потребляется 1/3 всей тепловой знергии, используемой в аграрном секторе зкономики стран ЕЗС, причем 90 % приходится на знергопотребление в садоводстве и ого- родничестве, а доля теплиц составляет 20 %. Горячая во­да с температурой 10—80 °С потребляется для различ- них целей на фермах. Так, для отопления свинарников, птичников, молочних ферм требуется воздух или вода с температурой 20—45 °С, для горячего водоснабже- ния — вода с температурой до 80 °С. От общего обьема теплопотребления в сельском хозяйстве Голландии, зк- вивалентного 3 млн. т нефти в год, использование солнеч­ной знергии обеспечивает зкономию около 0,2 млн. т нефти, а при условии применения улучшенной тепловой изоляции, в том числе подвижннх теплоизоляционннх зкранов, зкономия достигает 1 млн. т нефти в год. Опи- санньїе в предндущей главе установки отопления и го­рячего водоснабжения применяются и для сельскохозяй- ственннх обьектов, хотя во многих случаях они имеют более простое конструктивнеє исполнение и ориентирЬ- ванн на применение местннх материалов. Ниже рассмот- реньї другие типи гелиоустановок для сельского хозяй- ства.

Гелиотеплицьі. Постоянно возрастает производство овощей в закрьітом грунте — парниках и теплицах. В скандинавских странах, Голландии, ФРГ потребление знергии в теплицах составляет 1—1,5 % общенациональ- ного знергопотребления и достигает 20—35 % общего по- требления знергии в сельском хозяйстве.

Теплицьі — зто биолого-теплотехнические устройства, и они могут бить весьма существенно усовершенствова- ньі, если их превратить в гелиотеплицьі. Солнечная знер­гия в обьічной теплице используется главньїм образом для процесса фотосинтеза, при котором растения погло- щают и аккумулируют до 10 % знергии падающего сол­нечного излучения. При зтом из диоксида углерода и во­дн под действием солнечного света образуются углеводн и молекулярний кислород. Из молекул углеводов обра­зуются органические вещества, необходимие для жизни и роста растений.

В обичннх теплицах из-за большой площади свето- прозрачних поверхностей возникают значительнне теп- лопотери, для компенсации которнх требуется определен- ннй расход топлива в системе отопления. Теплици могут обогреваться горячей водой, водяним паром, нагретим воздухом, инфракрасньщ излучением или продуктами сгорания топлива. При создании гелиотеплицн прежде всего нужно позаботиться о существенном снижении теплопотерь за счет применения теплоизоляции. Кроме того, необходимо обеспечить улавливание максимально возможного количества солнечной знергии и аккумули- рование избьіточной теплоти.

Сама гелиотеплица служит пассивной гелиосистемой. Для повьішения ее зффективности необходимо использо­вать аккумулятор теплоти. На рис. 48 показана схема гелиотеплицн с двойннм остеклением, теплоизолирован- ной северной стенкой, имеющей отражательное покри- тие на внутренней поверхности, и грунтовим аккумуля- тором теплоти. Обьічная пленочная теплица может иметь подпочвенннй аккумулятор теплоти (рис. 49). Теплица имеет площадь 500 м², а аккумулятор расположен под теплицей на глубине 0,5 м, внполнен в виде ямьі шири- ной 5,4, длиной 80 и глубиной 1,2 м, которая заполнена кусками гранита размером 150—200 мм. Аккумулятор имеет кирпичние канали, сообщающиеся с теплицей

трубами диаметром 350 мм. В одном канале установлен вентилятор мощностью 0,1 кВт.

Теплий воздух из теплицн проходит по первому кана­лу, отдает часть теплотн аккумулятору и затем возвра- щается через второй канал к вентилятору. Днем аккуму­лятор заряжается теплотой, а ночью £азряжается. Го-

Рис. 49. Пленочная теплица с грунтовим аккумулятором теплоти: І — теплица; 2 — аккумулятор; 3, 4 — канали; 5, 6 — труби; 7 — вентилятор

довая зкономия топлива составляет 400—500 т условного топлива на 1 га обрабатнваемой площади.

Расход знергии в теплицах уменьшается при приме- нении двойного остекления, подвижной защитной тепло- вой изоляции и усовершенствовании гелиоустановок. Ак- кумулирование теплотьі наиболее целесообразно осуще- ствлять в грунте под теплицей. Для зтого днем нагретая в солнечном коллекторе вода пропускается по системе пластмассовнх труб, уложенньїх в грунт на небольшой глубине, и при зтом происходит зарядка аккумулятора теплотн. Для использования аккумулированной теплотн в ночное время в трубн подается холодная вода; нагре- ваясь, она направляется на обогрев теплицн либо непо- средственно, либо после дополнительного подогрева.

У/77/ШУ///// ////// У» S)

Рис. 50. Форма пристроенннх к зданию теплиц с наклонной (а) и циллндрической (б) светопро- зрачной стенкой, с наклонной кри­шей и вертикальной (в) или на­клонной (г) передней прозрачной стенкой и с теплоизолированной передней стенкой (о):

І — прозрачная изоляция; 2— прозрач- вая крьіша; 3 — теплоизолнрованная стенка

Различают два типа гелиотеплиц: пристроенньїе к юж­ной стене жилого дома и отдельно стоящие. На рис. 50

показаньї различньїе геометрические форми пристроен- них тепдиц. Они различаются по степени использования солнечного излучения, по возможности наиболее раціо­нального использования внутреннего пространства и со­ответственно по конструкции. Угод наклона южной остек- ленной поверхности к горизонту зависит от широти ме- стности и для средней полоси СССР может приниматься равннм р=50-і-60^о, при зтом угол наклона крьшіи Рі = =20-7-35°. Оптимальнеє отношение. площади поверхно­сти грунта к площади светопрозрачной поверхности со­ставляет 1 : 1,5. При зтом обеспечивается оптимальний знергетический баланс, т. е. разность между улавливае- мой солнечной знергией и теплопотерями, и хорошеє ис­пользование внутреннего пространства. При вертикаль- ном расположении передней стенки не обеспечивается максимальнеє улавливание солнечной знергии. Следует иметь в виду, что пристроенная к дому гелиотеплица является его продолжением и все сооружение восприни- мается как единое целое, позтому важное значение име­ет общая архитектура. На рис. 41, а показан красивий дом с пристроенной гелиотеплицей. Одна из наиболее удачньїх конструкций солнечннх домов с гелиотеплицей создана Балкомбом в г. Санта-Фе (штат Нью Мексико, США), располженном на широте 36° с. ш. и внсоте 2200 м над уровнем моря. Дом площадью 150 м² имеет пристро- енную гелиотеплицу с площадью остекленньїх поверхно­стей 70 м². Теплопотребление составляет 10 кВт при раз­ности температур внутреннего и наружного воздуха 40 °С. Дом имеет плоский солнечний коллектор площа­дью 38 м² с двухслойньїм остеклением. Аккумулирование теплоти осуществляется во внутренних стенах из камня (толщина стен 250 и 350 мм), бетонном полу в теплице и в двух галечних аккумуляторах общим обьемом 19 м³. Солнечньїй дом Балкомба показан на рис. 42. Наружние стеньї хорошо теплоизолированьї и имеют козффициент теплопотерь 0,2 Вт/(м²-°С). Для отоплений используют­ся злектронагреватели общей мощностью 3 кВт. В бла- гоприятньїх климатических условиях, характеризующих- ся внсокой плотностью поступающей солнечной радиа­ции даже зимой, около 82 % теплопотребления обеспечивается за счет солнечной знергии без ущерба для комфорта.

Конструкция отдельно стоящей гелиотеплицьі показа­на на рис. 51. Южная сторона теплици имеет прозрач- ную изоляцию, опирающуюся на стенку. Северная стен- ка и криша вьіполненн из непрозрачньїх строительньїх материалов и изнутри покрити слоем теплоизоляцші. Для уменьшения теплопотерь необходимо теплоизолиро- вать также стенку и наружную поверхность фундамента. У северной стенки в теплице .размещается тепловой ак­кумулятор, например ряд бочек или канистр с водой. Оптимальньїе значення углов наклона поверхностей вьі-

З-Ч.

Рис. 51. Отдельно стоящая гелиотеплица:

/ —- прозрачная изоляция; 2 — теплоизолированная передняя стенка; 3 — тепло- ігзолированная северная стенка; 4 — крьіша; 5 — теплоизоляция; 6 — теплоизо- лированньїй фундамент; 7 — аккумулятор теплотьі

бираются по максимальному углу висоти Солнца в зим- ние месяцьі для данного района. Так, для средней поло­си России можно принимать Рі = 504-60°, р₂=30°, при зтом угол Рздолжен бить не более 30°. Теплица должна иметь оптимальнеє расположенне: ее устанавливают на ровном незатеняемом месте с естественной защитой от ветра, например с помощью кустарников или забора с северной сторони. Для максимального улавливания солнечной знергии конек криши теплици необходимо ориентировать вдоль оси восток—запад.

Вариант теплици с галечньїм аккумулятором тепло-

ти показан на рис. 52. Внутренняя поверхность северной стени имеет отражательное покритие, т. е. окрашена бе- лой блестящей краской. Зто обеспечивает лучшую осве- щенность теплицьі и уменьшает теплопотери. При хоро- шей теплоизоляции северной стенн теплопотребление теплицн снижается в 2 раза. Во избежание неконтроли- руемого воздухообмена должньї бьіть тщательно уплот-

Рис. 52. Гелиотеплица с'галечннм аккумулятором теплоти:

/ — прозрачная изоляция; 2 — опорная стенка; З— северная стена; 4 — тепло- изоляция; 5 — галечньїй аккумулятор; 6 — ящики с рассадой; 7 — защищенньїй грунт; 8 — теплоизолированньїй фундамент

нени двери, окна, фрамуги вентиляционньїх отверстий. Однако кратность воздухообмена не должна бьіть ниже 0,5—1ч^-1, так как для жизнедеятельности людей и рос- та растений необходим приток свежего воздуха.

Для теплоизоляции непрозрачньїх поверхностей ограждающих конструкций используются различньїе ма- териалн — минеральная вата, пенопластн (пенополи- стирол или пенополиуретан), спрессованная солома, су- хие опилки и стружка. Теплоизоляция с обеих сторон должна бнть закрита пленкой или фанерой.

\

В качестве материала прозрачной изоляции гелиотеп-

лиц используются стекло (лучше спедиальное садовое), полимерная пленка и листи прозрачной пластмассн. Пропускательная способность прозрачной изоляции т имеет следующие значення при падении солнечннх лучей по нормали к поверхности:

Однослойное остекление , , і ,,,,,, , 0,88—0,92

Двухслойное остекление . і і і « , , , ₁ і , 0,83—0,85

Поливинилхлоридная пленка:

прозрачная . , , , , _t , . 0,85—0,87

полупрозрачная . , , _а , , , 0,8—0,82

Полизтиленовая пленка _s 0,92—0,94

Однослойное остекление+полизтиленовая пленка , 0,84—0,85

Стекло обладает такими положительньїми свойства- ми, как способность хорошо вьідерживать значительньїе колебания температурьі, длительньїй срок служби при любнх погодннх условиях. Оно иридает сооружению зс- тетически привлекательньїй вид. Но, к сожалению, стек­ло легко разрушается, позтому требуется надежная упа­ковка при транспортировке, а в конструкции должньї бнть предусмотреньї зазори для термического расшире- ния. Основним недостатком пластмасо и полимерньїх пленок является их низкая устойчивость к действию уль- трафиолетового излучения и теплотн. Кроме того, они имеют малий срок служби, легко загрязняются из-за злектростатической зарядки поверхности и легко по- вреждаются. Пропускательная способность пленок бист­ро снижается под действием неблагоприятньїх погодньїх условий, и позтому их применение допустимо в тех слу- чаях, когда не требуется длительньїй срок зксплуатации теплиц. Срок служби пленки в наружном слое прозрач­ной изоляции теплиц — от 1 года (полизтиленовая плен­ка) до 3 лет (поливинилхлоридная и стабилизированная ультрафиолетовнми лучами полизтиленовая пленка). Лучше всего пленку использовать в качестве второго, внутреннего слоя прозрачной изоляции. Хороший зффект дает применение специальннх компактних двухслойннх пластин прозрачной изоляции: два листа стекла склеи- вают по периметру с зазором в 6—12 мм или использу- ют две прозрачнне пластмассовне пластини (из акрило­вого стекла или поликарбонатной пластмасси) с по­перечними перегородками и аналогичннм воздушннм вазором.

Козффициент теплопотерь К через прозрачную изо- ляцвю и степень уменьшения теплопотерь Aq для различ- НЬІХ вариантов внполнения прозрачной изоляции при скорости ветра 4 м/с составляют:

К, Вт/(м^г- °С) Aq, %

солнечньїс 3

Глава вторая 3

зо 10

Г л а в а т р ет ья СОЛНЕЧНЬІЕ УСТАНОВКИ КОММУНАЛЬНО-БЬІТОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ 1

/с=(—+ У]т^-+”Г¹’ 1

/ = Q“/Q“ = (Q“ - Ql)/Q: = і - QyQ"_H, 1

W = m/(pte, 9

С_ак = С_т р_т (1 8), 9

г і vzzzzm/ / 24

/VWWW 35

Для предотвращения запотевания (внпадения кон- денсата) на прозрачной изоляции следует уменьшить козффициент теплопотерь путем применения двухслой- ной прозрачной изоляции. При температуре в теплице 20 °С в случае однослойного остекления (толщиной 6 мм) /С=6,8 Вт/(м²-°С) и двухслойного остекления К=~ =3,4 Вт/(м²-°С). Конденсат осаждается на поверхности стекла при следующих значеннях температури наруж­ного воздуха Г_в в зависимости от относительной влаж- ности воздуха q> внутри теплйцьі:

ф, % , ,,,,,,,, 90 80 70 60 80 40 ЗО

Т_в, °С:

при однослойном остекле-

нии . ....... 18 16 14 11 8 2 0

при двухслойном остекле-

нни , 16 11 60-6 -19 -25

При небольшом образовании конденсата влагосодер- жание воздуха в теплице повншается, что может небла- гоприятно влиять на растения. Снижение влажности воз- духа и температури достигается благодаря вентиляции теплицм. При отсутствии вентиляции температура в теп­лице может повншаться до 50 °С и более. Вентиляция не только позволяет регулировать температуру и влажность воздуха, но и обеспечиеает газовий обмен (СЬ и СОг). При естественной вентиляции воздухообмен зависит от площади и расположения вентиляционннх отверстий с клапанами. Для свободно стоящей теплицн зти отвер­стия должни лежать в направлений преобладающих вет- ров, чтобн с увеличением скорости ветра увеличивался воздухообмен. Площадь отверстий должна составлять приблизительно 1/6 площади теплицн, причем площадь нижних отверстий для входа воздуха должна бить на 1/3 меньше площади випускних отверстий, а разность их от меток по висоте должна составлять не менее 1,8 м.

Летом в теплице может возникать непереносимая жа­ра. Для предупреждения перегрева в теплице должна бить достаточная масса теплоаккумулирующего матери­ала, должен бить обеспечен хороший воздухообмен и предусмотрено затенение теплици, что значительно снижаег температуру воздуха и растений и интенсив- ность лучистого теплообмена. Для затенения использу- ются синтетические ткани, полотно, циновки, располагае- мьіе снаружи на остекленннх поверхностях.

Обьем аккумулятора теплоти (водяного, галечного, грунтового), площадь остекленннх поверхностей и тол- щина теплоизоляции определяются расчетом с учетом климатических данннх.

В туннельних теплицах могут использоваться плоские коллекторн солнечной знергии и грунтовне аккумулято- рьі теплоти с пластмассовнми трубами, проложенньїми в грунте для циркуляции нагретого или холодного воз­духа. В одном из вариантов может бить предусмотрена система вприска нагретой води в теплицу, благодаря че- му обеспечивается требуемьій температурно-влажност- ньій режим. По сравнению с неотапливаемой теплицей при использовании гелиосистемн температура воздуха на 3—8 °С вьіше. Аккумулирование теплоти может осу- ществляться непосредственно в самой теплице в грунте или в цилиндрических капсулах с плавящимся вещеет- вом типа парафина.

Зффективность гелиотеплици значительно возрастает при применении теплового насоса, отбирающего теплоту у грунта, грунтових вод или наружного воздуха.

Гелиосушилки. Вибор метода сушки определяется масштабом производства, климатическими особенностя- ми местности, видом вьісушиваемого материала и стои- мостью дополнительной знергии. Подвод теплоти к ма- териалу от сушильного агента может осуществляться конвективньїм путем или путем излучения, соответствен- но различают конвективние и радиационнне сушилки. В первьіх продукт контактирует с воздухом, нагретьім солнечной знергией, во вторих продукт непосредственно облучается Солнцем, температура в сушилках зтого типа достигает 60—75 °С. Могут также применяться комбини- рованньїе сушилки, в которих участвуют оба вида теп- лообмена, но преобладает конвекция, а установка состо­ит из воздухонагревателя и сушильной камерьі с про- зрачннми стенками.

Естественная сушка сельскохозяйственньїх продуктов используется повсеместно и с давних пор. При зтом про­дукти расстилают на земле, подвешивают под навесом или размещают на поддонах. При сушке на воздухе не- защищенннх сельхозпродуктов имеют место большие по­тери вследствие неполного вьісушивания, загрязнения, заплесневения, склевнвания птицами, повреждения на- секомими, действия осадков.

Применение солнечних установок типа «горячий ящик» повншает зффективность сушки и уменьшает по­тери продукта. Существенно сокращается время сушки и улучшается качество продукта, в том числе сохран- ность витаминов. Однако козффициент использования ге- лиосушилок для сельского хозяйства, как правило, низ- кий. В некоторнх случаях за год они могут использо- ваться всего несколько недель. И зто, естественно, не способствует достижению високих зкономических пока- зателей сушилок. В настоящее время зкономически целе- сообразно применять гелиосушилки для сушки сена. Си- туация достаточно благоприятная при сушке древесини, риби, при применении гелиосушилок в прачечннх.

Различают гелиосушилки с прямим и косвенннм дей- ствием солнечной знергии. В установках первого типа солнечная знергия поглощается непосредственно самим продуктом и окрашенннми в черньїй цвет внутренними стенками камери, в которой находится внсушиваемьій материал. Сушилка зтого типа показана на рис. 53. Она имеет верхнюю прозрачную изоляцию, перфорированную платформу для размещения внсушиваемого материала, боковне стенки (южная стенка — из прозрачного мате­риала), теплоизоляцию с отверстиями для поступлення воздуха и основание. Для удаления влажного воздуха из сушилки в верхней части северной стенки предусмотре- ньі отверстия. Сушильнне установки второго типа содер- жат солнечньїй воздухонагреватель и камерную или тун- нельную сушилку. В камерной сушилке воздух движется через слой висушиваемого материала, размещенного на сетчатих поддонах, снизу вверх, в то время как в тун- нельной сушилке материал движется на конвейерной ленте в одну сторону, а воздух движется противотоком в обратном направлений.

Рассмотрим примерн конструктивного внполнения камерньїх гелиосушилок. Простая сушилка с использова- нием полимерной пленки может бнть изготовлена в со- ответствии с рис. 54. Она работает на естественной тяге. Воздух нагревается в пленочном солнечном воздухона-

Рис. 53. Гелиосушилка с непосредственньїм облучением влажного

материала:

/ — прозрачная изоляции; 2— платформа для материала; З — стенка; 4 —теп- лоизоляция; 5, 7 — отверстня; 6 — фундамент

гревателе и по воздуховоду поступает в нижнюю часть сушильной камери, где на перфорированних поддонах (сетках, решетках) размещается влажннй материал. На- гретнй воздух движется в сушильной камере снизу вверх через слой материала и удаляется из камери через за­зор между верхней кромкой и кознрьком. Стенки сушиль­ной камери могут бить теплоизолйровани или внполне- ни из светопрозрачного материала. Пленочньїй воздухо- нагреватель изготовляется из полимерной пленки, натянутой на проволочннй каркас. Верхняя поверхность нагревателя изготовляется из прозрачной пленки, а ниж­няя — из черной (рис. 55, а). Его можно также вьіпол- нить в виде двух цилиндрических поверхностей — наруж- ной прозрачной и внутренней черной (рис. 55,6).

Рис. 54. Камерная гелиосушилка с пленочньїй воздухонагревателем:

1 — пленочньїй воздухонагреватель; 2 — воздуховод; З — сушильная камера; 4 — решетка; S — козьірек; СВ, ВВ — свежнй и влажньїй воздух

СВ

К

Рис. 55. Пленочньїй воздухонагреватель из прозрачной (1) я и черной (2) полимер­ной пленки

поверхность из гофрированного металла. Горячий воздух по теплоизолированному воздуховоду поступает в су-¹ шильную камеру с перфорированньїми поддонами для внсушиваемого материала, которая установлена на опо­рах и сверху накрита кознрьком.

На рис. 57 показана еще одна конструкция гелиосу- шилки с естественннм дутьем, отличающаяся типом воз­духонагревателя. В корпусе из одинкованного железа с теплоизоляцией расположенн две секции воздушного коллектора матричного типа. В корпусе предусмотреньї отверстие для поступлення наружного воздуха и свето- прозрачная изоляция. Солнечная знергия поглощается в матрице, представляющей собой два ряда покрашенних черной краской металлических сеток со стальной струж­

Солнечная камерная сушилка с принудительньш дуть- ем показана на рис. 56. Она включает воздухонагрева- тель, сушильную камеру и вентилятор. В теплоизолиро- ванном корпусе воздухонагревателя с прозрачной изо- ляцией находится зачерненная лучепоглощающая

Рис. 56. Камерная сушилка с Вентилято­ром и гофрированннм абсорбером возду- хонагревателя:

/ — воздухонагреватель; 2 — сушильная каме­ра; S — вентилятор; 4 — теплоизолированньїй корпус; 5 — прозрачная изоляция; 6 — абсор­бер; 7 — воздуховод; 8 — опора; 9 — козьірек

Рис. 57. Гелиосушилка с пористим абсорбером воздухонагревателя:

1 — корпус воздухонагревателя; 2 — остекленне; 3 — пористая лучепогло- щающая насадка; 4 — сушильная ка­мера; 5 —решетка для материала; 5 — перегородка; 7 —козьірек

кой между ними. Ее можно также сделать из нескольких слоев черной пористой ткани типа мешковиньї. Нагретьій воздух поступает в сушильную камеру, которая имеет су- живающуюся кверху форму и ряд сеток, на которьіе укладьівается влажньїй материал. Для подачи воздуха под каждьш слой материала в камере предусмотреньї вертикальньїе перегородки, образующие необходимьіе щели для воздуха. Сверху камера накрьіта „козьтрьком.

Описанная гелиосушилка имеет вьісокую зффективность.

КПД коллектора достигает 75 % благодаря большо- му расходу воздуха [0,5 м³/с или 0,13 кг/(с-м²)], а по- тери давлення — до 250 Па. Срок окупаемости — до 5 лет.

Простая и дешевая гелиосушилка для сельскохозяй- ственного кооператива может бнть изготовлена из про­зрачной и черной полимерной пленки, стабилизирован- ной к действию ультрафиолетового излучения (рис. 58). На деревянньїй каркас натянута полизтиленовая пленка толщиной 0,1 мм, а днище представляет собой черную полизтиленовую пленку (0,1 мм), уложенную на слой

Рис. 58. Пленочная гелиосушилка:

1 — прозрачная полимерная пленка; 2 — черная пленка на настиле для разме- щения продукта; З — теплоизоляция; 4 — боковьіе стенки

щелухи тодщиной 75 мм, служащей тепловой изоляцией. Боковне стенки внизу приснпани землей, длина и шири­на коллектора соответственно равнн ЗО и 4,6 м. Нагре- тнй воздух поступает в цилиндрическую камеру диа- метром 1,5 и вьісотой 1,8 м, в которой размещается 1,75 т еельскохозяйственного продукта (зерна) в несколько сло- ев толщиной по 150 мм.

Еще одна конструкция високозффективной гелиосу- шилки для различньїх сельхозпродуктов показана на рис. 59. Воздушньїй коллектор изготовляется из отдель- ньіх модулей площадью по 5 м², которьіе в собранном ви­де образуют панели, устанавливаемьіе в наклонном по­ложений на крнше сарая. Внутри сарая размещаются го­ризонтальний желоб или вертикальний бункер для влажного материала, вентилятор, воздухораспредели- тельная камера. Панели воздушного коллектора присо-

единяются к вентилятору с помощью воздуховода. Луче- поглощающая поверхность воздушного коллектора — зто пористая матрица, улавливающая солнечное и инфра- красное излучение и имеющая чрезвичайно развитую поверхность контакта для нагрева воздуха. Боковьіе и задняя стенки корпуса из оцинкованного железа име- ют тепловую изоляцию. Прозрачная изоляция — из спе­ціального прочного полимерного материала с внсокой пропускательной способностью для солнечного излуче­ния, устойчивого К ультрафиолетовому излучению. ОбьіЧ'

; і

-і- і -Тут—пА-

Рис. 59. Сушилка с воздухона- гревателем модульного типа: