ВОПРОСЫ ТЕОРИИ. И ИННОВАЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ. ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ. ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Прозрачная изоляция

Прозрачная изоляция солнечного коллектора - покры­тие или система покрытий, расположенных над поглоща­ющей панелью, прозрачных относительно солнечной энер­гии, предназначенных для снижения тепловых потерь в окружающую среду.

Стандарт России [34] устанавливает для прозрачной изо­ляции солнечного коллектора следующие основные поня­тия: коэффициент тепловых потерь через прозрачную изо­ляцию; полный коэффициент тепловых потерь. Данным стандартом регламентированы следующие технические тре­бования к прозрачной изоляции: число слоев не ограничива­ется, допускается выпуск солнечных коллекторов без про­зрачной изоляции; конструкция должна предусматривать возможность ее замены; срок службы прозрачной изоляции не регламентирован; прозрачная изоляция должна быть вы­полнена из стекла или полимерных материалов, устойчи­вых к атмосферным и эксплуатационным воздействиям.

Материалы для прозрачной изоляции, используемые в качестве единственного наружного слоя или при двухслой­ном прозрачном покрытии должны сохранять свои свой­ства при температуре от -45 до +100 °С, а для внутреннего слоя прозрачной изоляции - от -45 до +150 °С.

Стандартом СССР [24] кроме перечисленных требова­ний, дополнительно регламентировались значения произ­

ведения общего коэффициента тепловых потерь коллекто­ра и коэффициента эффективности поглощающей панели при нулевой скорости ветра, Вт/(м2-°С), не более:

- для коллектора с одним слоем прозрачной изоляции и черным поглощающим покрытием - 5,8;

- с одним слоем прозрачной изоляции и селективным поглощающим покрытием - 3,9;

- с двойным слоем прозрачной изоляции и черным по­глощающим покрытием - 4,3.

Данным стандартом также регламентировалась мини­мальная пропускательная способность одного слоя про­зрачной изоляции при падении солнечных лучей по норма­ли к поверхности - 0,85.

Стандарты ведущих в производстве солнечных коллек­торов зарубежных стран содержат дополнительные требо­вания к прозрачной изоляции. Так, стандарт Израиля [52] предписывает обеспечить соответствие материалов про­зрачной изоляции национальным нормам. Толщина стек­ла при соотношении сторон коллектора 1-1,5 должна при­ниматься не менее 2,3 мм, при соотношении сторон свыше 1,5 - не менее 3,3 мм.

Н. В.Харченко сформулировал следующие требования к материалам прозрачной изоляции [47]:

- высокая пропускательная и низкая отражательная способности для коротковолновой части спектра;

- высокая отражательная способность для инфракрас­ного излучения;

- достаточная механическая прочность;

- физико-химическая стабильность под действием ультрафиолетового излучения.

Под руководством Б. В.Тарнижевского выполнена оцен­ка свойств материалов прозрачного покрытия: стекла (оконного, упрочненного, органического), поликарбоната, пленки (полиэтиленовой, фторсодержащей) [53]. Исследо­ваны следующие параметры: коэффициент пропускания;

стойкость к высокой температуре, абразивному износу и радиационному старению; ударопрочность; конструктив­ная прочность; малая плотность и малая загрязняемость; хорошая очищаемость; срок службы, расход и стоимость материала на 1 м2 коллектора. Установлено, что наиболее полно удовлетворяют вышеперечисленным требованиям упрочненное стекло и поликарбонат. В ценах 1984 г. такое стекло в 4 раза, а поликарбонат в 27 раз дороже оконного стекла.

Аналитические методы описания процессов теплообме­на при прохождении потока солнечного излучения через прозрачную изоляцию различаются используемой моде­лью. В основе одной из них - характеристики материалов изоляции, другой - потоки энергии. Согласно первой мо­дели оптимальный КПД солнечного коллектора опреде­ляется соотношением количества солнечной энергии, поглощенной панелью и падающей на поверхность про­зрачной изоляции коллектора. Такой подход характерен для исследований Московского инженерно-строительного института [54]. Р. Р.Авезовым в работе [56] предложено при определении коэффициента светопропускания про­зрачного ограждения учитывать затенение переплетами корпуса и пылью.

Согласно второй модели оптический КПД солнечного коллектора определяется по формуле

_ Е <7тпс. Ло“ Е ’

7тпс =-^р-о(*р

где г|0 - оптический КПД солнечного коллектора; tp, tQ - температура теплопоглощающей панели и окружающего воздуха; Е - суммарная солнечная радиация в плоскости солнечного коллектора; дтпс - количество тепловой энер­гии, теряемой при прохождении солнечного излучения
через прозрачную изоляцию; К - коэффициент тепло­передачи от теплопоглощающей панели к окружающему воздуху.

В статье [57] Ю. Л. Мышко и др. приведены результаты оптимизации толщины воздушного зазора между прозрач­ным ограждением и теплопоглощающей панелью, тепло­изоляцией; установлена их взаимозависимость. При этом наименьшая толщина воздушного зазора 29 мм имеет место при качественной теплоизоляции А, = 0,05 Вт/(м2К) и несе­лективном покрытии (общая толщина коллектора 100 мм). При использовании более качественной теплоизоляции А, = 0,03 Вт/(м2 • К) наименьшая толщина воздушного зазора увеличивается до 35 мм при той же общей толщине коллек­тора. Расчеты показали, что температура наружного возду­ха и теплопоглощающей панели практически не влияют на значение оптимальной величины воздушного зазора. Для качественных коллекторов, соответствующих мировому уровню, при общей толщине коллектора 100-120 мм опти­мальное значение воздушного зазора составляет 45-60 мм.

На основе второй модели А. Д.Ушаковой и др. в работе [58] приводятся результаты сравнения эффективности ис­пользования в солнечных коллекторах одно - и двухслой­ного обычного стекла, селективных стекол, нанесения се­лективного покрытия на поверхность теплопоглощающей панели, вакуумированной изоляции. Анализ результатов решения системы дифференциальных уравнений позволил сделать авторам следующие выводы:

- в летнее время целесообразно использовать для нагре­ва воды до 50-60 °С плоские солнечные коллекторы с од­ним стеклом. В случае применения коллекторов с двумя стеклами дополнительные потери солнечной энергии во втором слое стекла больше, чем потери тепла в окружаю­щую среду;

- использование селективных покрытий или вакуумной изоляции в солнечных коллекторах при невысоких темпе­ратурах теплоносителя не улучшает их экономические по­казатели, тепловые потери от теплопоглощающей панели снижаются всего на 10 %;

- применение в солнечных коллекторах двух и более конструктивных элементов с селективным покрытием (оба стекла с селективным покрытием, одно стекло и теплопо­глощающая панель) не приводят к существенному повы­шению эффективности, при этом стоимостные показатели снижаются.

О. С.Попелем в статье [59] указывается, что дополни­тельное остекление не приводит к существенному повы­шению теплопроизводительности коллекторов, оно сопря­жено со значительным увеличением их стоимости. В книге [60] под редакцией Э. В. Сарнацкого и С. А. Чистовича вза­мен стекла рекомендуется применять полиметилметакри­лат, превосходящий стекло по спектральным характе­ристикам. Методика расчетов Дальневосточного НИИ по строительству [61] предусматривает использование обеих расчетных моделей. В работе НИИ санитарной техники и оборудования зданий и сооружений (Киев) [62] приведены результаты исследований тепловых потерь прозрачного покрытия солнечного коллектора. Авторами оспаривается утверждение в работах [63, 64] о несущественности этих потерь. Эффект влияния дополнительного слоя прозрач­ной изоляции возрастает при уменьшении температуры поверхности теплопоглощающей панели.

Таким образом, достаточно полно исследованы процес­сы теплообмена в прозрачном ограждении, но отсутствуют критерии оценки его стоимости.