СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОИ ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ССТ

Для дальнейшего совершенствования и развития ССТ представляет большой интерес изучение тенденций и направленности творческой мысли исследователей и изобретателей в СССР и за рубежом в части разработки конструкций и схемных решений ССТ. Учитывая, что в предыдущих главах основное внимание было уделено конструкциям и системам, находящим применение в ССТ в настоящее время, представ­ляется целесообразным рассмотреть направления развития на основе анализа патентной литературы, которая в наибольшей степени отража­ет перспективные тенденции.

Гелиоколлектор, представляющий собою важнейший элемент, является также наиболее капиталоемким оборудованием, решающим образом оказывающим влияние на технико-экономические показатели ССТ. Поэтому снижение стоимости гелиоколлекторов и улучшение их теплотехнических свойств является актуальнейшей и диалектически противоречивой проблемой на пути повышения эффективности и экономической целесообразности ССТ. Кроме того, от теплотехничес­ких и светотехнических свойств гелиоколлекторов зависят энергети­ческие характеристики ССТ, такие, как КПД коллектора, годовая Удельная теплоотдача и, в конечном счете, количество замещенной тепловой энергии и топлива. Улучшение этих свойств, как правило, связано с совершенствованием конструкций покрытий, теплоизоляции

Юг

Рис. 12.1. Коллектор с ячеистой формой прозрачного ограждения (ФРГ, № 2522160)

И технологии изготовления гелиоколлекторов, с использованием более дорогих или дефицитных материалов.

Тенденции совершенствования гелиоколлекторов рассмотрены в ряде работ и наиболее полно представлены в отчете НИР, выполненной ВНИГПЭ[11].

Улучшение поглощающих свойств достигают повышением пропуска - тельной способности прозрачных ограждений и повышением поглоща - тельной способности панелей-поглотителей. Для увеличения пропуска - тельной способности прозрачное ограждение выполняют выпуклым, гофрированным и пирамидальным (рис. 12.1). Для предотвращения запотевания прозрачного ограждения используют воздухоосушители. С целью снижения стоимости в качестве прозрачного ограждения используют полимерные материалы - пленки.

Улучшение поглощательных свойств поглотителя развивается в основном в двух направлениях: совершенствование селективных покрытий плоских панелей и разработка гофрированных или оребрен ных поверхностей. Первое направление достаточно подробно рассмот­рено в гл. 3. Второе направление представляется весьма перспектив*

Ным, что находит подтверждение при анализе патентной литературы, выполненном в работе [11]. Создание гофрированных, сотовых или оребренных поверхностей позволяет улучшить поглощательную способность солнцеприемника в результате организации "ловушек" для солнечных лучей, а также уменьшает тепловые потери гелиокол­лектора вследствие предотвращения или ослабления конвективных потоков воздуха, заключенного между прозрачным ограждением и солнцеприемником. Авторы работы [11] разделяют коллекторы с Гофрированной поверхностью на три группы. Наиболее многочислен­ную группу составляют коллекторы, в которых гофрированный погло­титель образует совместно с прозрачным ограждением каналы для циркуляции теплоносителя (рис. 12.2).

Ко второй группе относятся коллекторы, в которых гофрированный поглотитель установлен с зазором относительно прозрачного огражде­ния, образуя канал для теплоносителя. К третьей группе относятся коллекторы, в которых гофрированный поглотитель находится в Контакте с трубами для циркуляции теплоносителя.

В некоторых случаях канал для прохода теплоносителя образуют между двумя гофрированными поверхностями. Для гелиоколлекто­ров - воздухонагревателей гофрированная перфорированная перего­родка устанавливается под прозрачным ограждением (рис. 12.3).

Гелиоколлекторы с оребренной поверхностью могут быть двух типов. Большую часть конструкций составляют коллекторы, в которых ребра расположены перпендикулярно плоской пластине, при. этом теплоноситель в одних случаях подается вдоль ребристой поверх­ности, а в других - в канал, образованный поглотителем и дном корпуса. Другая группа ребристых поверхностей образуется установ­кой ребер перпендикулярно трубопроводам с теплоносителем (плас­тинчатое оребрение) (рис. 12.4) либо установкой радиальных ребер (спиральное оребрение) (рис. 12.5). Гелиоколлекторы такого типа в последнее время приобретают все более прочное положение на рынках сбыта. Помимо рассмотренных конструкций встречаются также гелиоколлекторы с ячеистым поглотителем, расположенным на стенке каналов для теплоносителя или на дне корпуса. В последнем случае трубопроводы для теплоносителя установлены на ячеистом поглоти­теле и имеют тепловой контакт со стенками ячеек. Встречаются также гелиоколлекторы с пористым поглотителем, но структура которого может быть размещена или на внешней поверхности канала для тепло­носителя, или внутри канала, образованного поозрачным ограждением и плоской пластиной.

Уменьшение тепловых потерь в ССТ достигается путем совершенст­вования теплоизоляции корпуса и применения двойного и даже тройного остекления. Наряду с этим одним из наиболее эффективных средств уменьшения теплопотерь является установка перегородок в пространстве между поглотителем и прозрачным ограждением, благо­даря которым подавляются конвективные токи воздуха, находящего­ся в полости коллектора. Имеется большое число конструкций пере-

Городок, в том числе изготовленных из материала, прозрачного для солнечной радиации и поглощающего тепловую часть спектра {рис. 12.6), а также с использовнием замкнутых воздушных или ваку - умированных камер.

В ряде конструкций для снижения тепловых потерь полость коллек­тора или зазор между слоями прозрачного ограждения заполняют газами, коэффициент теплопроводности которых ниже, чем воздуха.

Представляет интерес применение каналов для циркуляции тепло­носителя, выполненных из прозрачного материала, например, из стекла или пластмассы. В этих случаях в каналы подается теплоноси­тель, зачерненный введенными в него теплопоглощающими добавка­ми: сажей, суспензией углерода, графита и т. п. Этот прием может быть использован, как правило, в двухконтурных системах.

В последнее время с целью снижения затрат и экономии металла все большее внимание привлекают гелиоколлекторы из полимерных материалов. Так, например, авторами изобретения CCCPN0 1257371 предлагается солнечный коллектор из эластичного материала с проз­рачным покрытием и теплоизолирующим слоем с каналами для прохо­да теплоносителя. Для повышения тепловосприятия путем увеличе­ния времени облученности поверхности коллектора одна из боковых стенок корпуса жестко связана с основанием, а другая выполнена с возможностью перемещения. Благодаря тому, что ширина прозрачного покрытия меньше ширины поглощающей панели, а теплоизолирующий слой выполнен из эластичного материала с каналами для прохода теплоносителя, при изменении давления теплоносителя в каналах в зависимости от угла падения солнечных лучей, происходит изменение положения панели в пространстве (рис. 12.7).

Рис. 12.8. Гелиоприемник типа "труба в трубе"

1 — внутренняя зачерненная труба;

2 — внешняя прозрачная труба

Представляет интерес гелиоколлектор типа "труба в трубе", предло­женный А. Ю. Орловым, внешняя труба которого выполняет роль прозрачного ограждения, а внутренняя зачерненная - роль тепловос­принимающего элемента (рис. 12.8). Коллектор укладывают на поверх­ности в виде спирали или змеевика. Достоинства такой конструкции заключаются в простоте и дешевизне изготовления и монтажа. Гелио­коллектор из полимерных труб не требует опорожнения или заполне­ния незамерзающими жидкостями в переходные периоды года.

Важным направлением совершенствования гелиоустановок явля­ется совмещение конструкции гелиоколлекторов с ограждающими. конструкциями зданий, что позволяет сократить дополнительные капитальные вложения в ССТ. Использование гелиоколлекторов в качестве ограждений балконов и лоджий, совмещенные с гелиокол-
лекторами конструкции кровель, гелиофермы находят все большее применение в зарубежной и отечественной практике проектирования и сооружения ССТ. Для несовмещенных установок представляется перспективным разработка сборных металлоконструкций (с использо­ванием унифицированных элементов), обеспечивающих низкую стоимость и простоту монтажа.

Перспективы в разработке и использовании систем солнечного теплоснабжения представляются следующие. В области совершенство­вания систем сезонного горячего водоснабжения все большее примене­ние должны найти прогрессивные решения, основные идеи которых рассмотрены в настоящей книге, а именно: использование суточного аккумулирования тепловой энергии; применение комбинаций гелио­систем с топливными и электрическими котельными и последователь­ным подогревом воды; использование теплонасосных установок, позволяющих снизить температуру в первичном контуре и тем самым повысить эффективность гелиоколлектора. Все большее применение должны найти ССТ для нагрева воды в открытых плавательных бассей­нах, где в целях снижения теплопотерь в ночное время должны использоваться защитные пленки или полистироловые шары, которые днем удаляются с поверхности потоком верхнего слоя воды при опускании затвора. Простейшие гелиоустановки, в том числе с коллек­торами из пластмасс и с открытым нагревом теплоносителя, могут быть повсеместно использованы для горячего водоснабжения душевых кабин на пляжах, в пионерских и молодежных лагерях, на полевых станах, в поселках сезонных рабочих и т. п. Низкая стоимость, транс­портабельность, простота монтажа и ремонтнопригодность - основные требования к такого рода системам.

Можно рассчитывать, что в дальнейшем системы солнечного горяче­го водоснабжения найдут применение и в городской застройке в сочетании с системами центрального теплоснабжения. Установленные на крышах зданий гелиоколлекторы могут быть эффективно исполь­зованы для предварительного подогрева водопроводной воды, посту­пающей в систему горячего водоснабжения. В дальнейшем такого рода установки найдут применение и в промышленных зданиях.

Перспективы развития активных солнечных систем отопления в нашей стране с учетом холодного климата связываются в основном с использованием двухконтурных систем и применением в первом контуре незамерзающих жидкостей. Наличие двух контуров приводит к необратимым энергетическим потерям, а также требуют использова­ния дополнительных насосов, систем регулирования и т. п. Результаты исследований и практика эксплуатации солнечных систем теплоснаб­жения в режимах отопления зданий показывают, что эффективность таких систем резко снижается в зимний период. В этой связи можно считать перспективным разработку и использование долгосрочных сезонных аккумуляторов теплоты. Кроме того, признано целесообраз­ным сочетание ССТ с комплексом, включающим в себя топливные или электрические котельные, тепловые насосы, а также ветроустановки и геотермальные системы. Возможно использование нескольких вариан­тов сезонных аккумуляторов:

Резервуары с водой или эвтектическим раствором, заглубленные или расположенные на поверхности земли;

Грунтовые аккумуляторы (уложенные в грунт трубы или вертикаль­ные сваи);

Сеть скважин, гидравлически соединенных между собой, позволяю­щих использовать аккумулирующие свойства водоносных слоев грунта.

В теплый период года осуществляется накопление тепловой энергии в аккумуляторе. В холодное Время тепловой насос, используя в качестве первичного источника теплоту аккумулятора, повышает ее температурный потенциал и передает энергию в систему отопления зданий. По оценкам ряда специалистов такая установка считается рентабельной при условии, что она покрывает около 30 % годовой потребности в тепловой энергии. Остальные 70 % тепловой нагрузки обеспечиваются традиционными источниками теплоты. Использование ветроустановок и геотермальных систем в сочетании с солнечно-топ­ливными котельными представляют собой дополнительный резерв экономии и тепловой энергии.

Важнейшей проблемой совершенствования активных ССТ является автоматизация управления и контроля их работы. Острота этой пробле­мы особенно ощутима при разработке и проектировании сложных комбинированных систем теплоснабжения с использованием солнеч­ной энергии, аккумуляторов теплоты, теплонасосных установок, традиционных котельных и т. д. Вопросы эксплуатационной надеж­ности при проектировании систем автоматизации являются приоритет­ными. Основные направления работ в этой области рассмотрены в гл. 7.

Одним из перспективных направлений использования солнечной энергии является охлаждение зданий и кондиционирование воздуха. Несмотря на имеющиеся серьезные исследования в этой области практическое применение в нашей стране солнечных систем охлажде­ния отсутствует. Недостаточное внимание к этой проблеме объясня­ется отчасти тем, что энергия, расходуемая на кондиционирование воздуха в летнее время составляет 5 ... 10 % количества энергии, расходуемой на отопление и вентиляцию зданий. Следует, однако, учитывать, что для производства холода используется, как правило, энергия наиболее ценного вида - электрическая. Кроме того, важным стимулом использования солнечной радиации для охлаждения зданий является то обстоятельство, что максимум потребности в искусствен­ном холоде совпадает с максимумом поступления теплоты солнечного излучения.

Для производства холода за счет солнечной энергии используют многочисленные модификации абсорбционных холодильных устано­вок, в которых солнечная энергия служит для осуществления регене­ративного процесса.

Выпариваниие растворов, используемых на практике, происходит при температуре 70 °С и выше. Это обстоятельство предъявляет повы­шенные требования к эффективности гелиоколлекторов и стимулирует применение концентрирующих устройств для повышения тепловых характеристик абсорбционной установки. Общее признание получили работы [6], направленные на создание и совершенствование методов ^воздушной десорбции в сочетании с нагревом за счет солнечного излучения. Можно предположить, что в ближайшие годы системы солнечного охлаждения найдут применение для создания комфортных условий в жарких районах страны.

Большие неиспользованные возможности открываются при примене­нии воздушных систем отопления с использованием воздуха в качест­ве теплоносителя, нагреваемого в гелиоколлекторе. Важнейшим достоинством таких систем является отсутствие необходимости в жидкостном контуре, исключение протечек и опасности замерзания, уменьшение массы ССТ. Воздушные гелиоколлекторы наилучшим образом сочетаются со строительными ограждающими конструкциями зданий, ремонт их и эксплуатация проще, чем жидкостных коллекто­ров. В воздушных теплоприемниках могут быть применены самые разнообразные материалы. Для аккумуляции тепловой энергии в таких системах используют гальку или гравий, а также контейнеры, наполненные легкоплавкими солями. Специальной литературой [4] и зарубежной практикой предлагается большое число вариантов конст­рукции воздушных гелиоприемников и систем отопления.