Жилые дома с автономным солнечным теплохладо - снабжением

СОХРАНЕНИЕ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛА ДО ЗИМНЕГО ПЕРИОДА

Если установить солнечный коллектор, имеющий площадь, достаточную для того, чтобы обеспечить выработку тепла на отопление дома в зимний период, то в летний период в системе горячего водоснабжения появятся излишки тепла, а летом и осенью системе охлаждения дома будет не хватать энергии. Многие работают над возможностью использовать излишки тепла, получаемого летом, для отопления домов зимой. Вопрос состоит в том, возможно ли решить эту задачу технически и будет ли это выгодно в экономическом отношении.

В настоящее время наиболее распространенные способы длительного сохранения тепла сводятся либо к аккумулирова­нию его в грунте, либо к установлению в грунте бака-накопителя с водой. Кроме того, предлагаются различные проекты аккуму­лирования тепла: в частности, использование для этой цели

Кальцинированной соды, применение гибридов металлов, а так­же накопление тепла, выделяющегося при химических реак­циях. Однако все они, по всей вероятности, вряд ли найдут ши­рокое применение в будущем.

Главным преимуществом аккумулирования тепла в грунте является его дешевизна. Однако теплопроводность грунта слишком мала, поэтому приходится использовать теплопровод­ные трубы, создание и применение которых обходится весьма до­рого. С другой стороны, для длительного хранения тепла необхо­дима хорошая теплоизоляция. С этой точки зрения теплопро­водность грунта слишком велика, и, хотя емкость с аккумулиро­ванным теплом со всех сторон окружена теплоизоляцией, эф­фективность этой изоляции недостаточна.

Первоначальные проекты грунтового аккумулирования тепла в экспериментальных вариантах сводились преимущественно к непосредственному использованию в зимний период накоплен­ного тепла при температуре теплоносителя, достаточной для отопления дома. Однако, как бы тщательно ни сохранялось тепло в грунте, в процессе его передачи потребителю температу­ра воды снижается, поэтому его можно использовать, например, для обеспечения энергией теплового насоса. Применение тепло­вого насоса, в котором аккумулированное тепло служит горячим источником, во многих районах (за исключением очень холод­ных) выгодно в экономическом отношении.

В установленном в грунте теплоаккумуляторном баке с водой Циркуляция тепла осуществляется по простой схеме; тем не

Менее расходы на проведение всех работ составляют чрезвычай­но большие суммы. Чтобы снизить эти расходы, необходимо создать дешевую технологию подготовительных и строительно - монтажных работ при сооружении больших баков. При долго­срочном аккумулировании тепла наиболее сложной является проблема максимального снижения тепловых потерь с поверх­ности бака-аккумулятора. В этом случае целесообразнее исполь­зовать баки-аккумуляторы больших размеров. Например, прямо - Угольный бак-аккумулятор с ребрами 5x50 м, оборудованный теплоизоляцией, имеющей К = о,1 ккал/(м2-ч-°С), в течение г°Да может сохранять температуру 80°С. В зимний период тепло

|Г

Передается потребителю при температуре теплоносителя 50°С, У баков-аккумуляторов малых размеров, в которых количество запасенного тепла равно 3,75 • 106 ккал, теплопотери доходят до 112%, а у крупных баков, аккумулирующих 4,2-Ю8 ккал тепла, теплопотери составляют всего 11,2%, т. е. преимущество крупных баков-аккумуляторов очевидно.

Для отдельного, индивидуального дома при маломасштаб­ном использовании солнечного излучения долгосрочное акку­мулирование тепла затруднительно. Если это возможно, то целесообразнее наладить крупномасштабное использование солнечной энергии для теплохладоснабжения целого района. В Швеции и других северных странах, расположенных на высоких широтах, зимой приход солнечной радиации чрезвычайно мал, а летом, при большой продолжительности периода солнечного сияния, наоборот - очень велик, поэтому вопрос о длительном аккумулировании тепла вызывает там значительно больший интерес.

На рис. 2.41 представлена схема экспериментального под­земного аккумуляторного бака объемом 725 м3, предназначен­ного для общественного здания; имеются проекты сооружения теплоаккумуляторных баков емкостью 10000 м3.

На большей части территории Японии приход солнечной радиации в зимний период значителен, проблема долгосрочного хранения тепла не актуальна, а в промежуточные сезоны и летом наблюдается некоторый излишек тепла. В связи с этим возникает дилемма: оставить этот излишек тепла без внимания или использовать его для каких-либо целей? Возможно, в буду­щем удастся соорудить дешевые теплоаккумуляторные резер* вуары, обладающие сейсмической устойчивостью (не подвер­женные влиянию землетрясений), которые в период дождей ^ожно было бы использовать как плавательные бассейны.

Архитекторы считают, что проблема долгосрочного акку­мулирования для солнечных домов с маломасштабными гелио­системами еще далека от практического решения, хотя и пред­ставляет определенный интерес.

2.19. ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ ТЕПЛОАККУМУЛЯТОРНОГО

БАКА

В теплоаккумуляторном баке солнечная энергия хранится в форме теплоты, и возникает возможность передачи этой тепло­ты окружающим бак материалам. Если температура внутри бака выше, чем снаружи, то тепло обязательно переходит к среде с более низкой температурой, и температура внутри бака пони­жается, т. е. возникают тепловые потери.

Для сведёния до минимума этих потерь создают специальные конструкции теплоаккумуляторных баков, например снаружи их покрывают слоем стекловаты. Однако какой бы толстой ни была теплоизоляция, полностью исключить теплопотери не представ­ляется возможным. Методика расчета оптимальной толщины слоя теплоизоляционного материала определяется на основе баланса между затратами на теплоизоляционные материалы и снижением теплопотерь, достигнутым в результате использова­ния теплоизоляции.

Большинство теплоаккумуляторных баков обычно имеет слой теплоизоляции толщиной 20-50 мм; даже при этом тепло­потери за год достигают большой величины, и температура внутри бака значительно понижается.

Рассмотрим, как возникают теплопотери на примере электри­ческого водонагревателя с использованием электричества ноч­ного тарифа. У такого водонагревателя накопительный бак по внешнему виду и по своим функциям не отличается от теплоак­кумуляторного, но в него вмонтирован электронагреватель, Вместимость водонагревателя 300 л. В течение зимнего периода и переходных сезонов температура внутри бака достигает 80°С и только летом она составляет 60°С. При таких условиях тепло­потери за год равняются приблизительно 1 Гкал. Это соответст­

Вие. 2.42. ТЕПЛОПОТЕРИ В ТЕПЛОАККУМУЛЯ - [ОРНОМ БАКЕ

1 ~ стекловата; q - теплопотери бака: когда tw>ta, тепло из бака уходит в окружающую среду

Вует годовой выработке тепла солнечным водонагревателем с площадью 2 м2 (слой стекловаты 50 мм).

В разд. 1.6 говорилось о том, что годовая нагрузка системы го­рячего водоснабжения индивидуальных домов составляет 2-3 Гкал на семью. Другими словами, указанные выше теплопо­тери соответствуют 35-50% годовой нагрузки системы горячего водоснабжения, обеспечивающего одну семью.

В теплоаккумуляторном баке системы солнечного водонагре - ва температура в летний период составляет 50-70°С, в зимний - 30-50°С. Теплопотери не так велики, как в электрическом водо­нагревателе. Однако годовые теплопотери аккумуляторного бака вместимостью 300 л, аналогичного упомянутому выше, составляют по расчетам 0,63 Гкал/год, что соответствует 21-32% годовой нагрузки системы горячего водоснабжения. Следова­тельно, эти теплопотери нельзя игнорировать, и при конструиро­вании или выборе теплоаккумуляторного бака необходимо обра­тить внимание на толщину слоя стекловаты или какой-либо дру гой теплоизоляции. Для рационального использования солнеч ного тепла в гелиосистемах рекомендуется применять в тепло аккумуляторном баке слой теплоизоляционного материала тол­щиной 75-100 мм. Выше при расчетах теплопотерь мы исходили из идеальных условий аккумулирования тепла в баке, в то время как на практике всегда существует возможность наруше­ния таких условий, например из-за плохой теплоизоляции клапана выпуска горячей воды.

Ванна, обеспечивающаяся горячей водой теплоаккумуляторного бака. В настоящее время в системах солнечного горячего водоснабжения емкость аккуму­ляторных баков обязательно составляет 300-500 л. Такие баки не только дорого стоят, но и занимают обширное пространство. Сэкономить расходы на систему горячего водоснабжения жилого дома можно, если соорудить в нем ванну, кото­рая снабжалась бы теплом от аккумуляторного бака, объемом в 3—5 раз меньше указанного.

На рис. 2.43 представлена схема действия такого устройства: когда температу - па воды в теплоаккумуляторном баке поднимается выше заданного уровня, вода Г, з него автоматически выливается в ванну, которая стоит наполненной до вече - Если принимать ванну приходится поздно вечером, то ее можно подогревать яри помощи топки1.

За последнее время появились очень хорошие теплоизоляционные материа­лы Для ванн: они более совершенны, чем теплоизоляция для накопительных баков. Трудности в работе описанной системы могут возникнуть в таких домах, где ванной пользуются не каждый день. Однако в домах, оборудованных систе­мой солнечного горячего водоснабжения, где проживает в основном молодежь, ванной пользуются ежедневно.