Энергия

АККУМУЛИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛА

Наиболее важной причиной необходимости аккумулирования тепла в солнечной энергетической установке является непосто­янство сияния солнца и постоянная потребность в энергии Кро­ме того, при наличии солнца, как правило, поступает больше энергии, чем требуется, и поэтому, накопив энергию, ее можно использовать в дальнейшем, когда солнца нет

При проектировании аккумулятора солнечного тепла необ­ходимо соизмерять стоимость с рабочими характеристиками Некоторыми решающими факторами стоимости являются вы­бор теплоаккумулирующей среды для теплового аккумулятора, которой могут служить, например камни, вода или эвтектиче­ские соли, необходимое количество этой теплоаккумулирующей рабочей среды, измеряемое по весу или по объему, размещение теплового аккумулятора либо в отапливаемом помещении, либо вне его, тип и размеры контейнера для аккумулирующей среды, теплообменники, если необходимо, для передачи или отбора теп­ла от рабочего тела и механическое устройство для перемеще­ния теплоаккумулирующей среды через аккумулятор или теп лообменники

Кроме этих факторов рабочие характеристики также зависят 01 средней рабочей температуры, падения давления теплоноси­теля, движущегося через теплоаккумулирующую среду, и от по - іерь тепла контейнером в окружающую среду

Есть три основных вида теплоаккумулирующей среды кам­ни, вода и эвтектические соли (с фазовым превращением)

Способность разных материалов накапливать тепло зависит от их удельной теплоемкости Как указывалось в предыдущей части, удельная теплоемкость материала выражается количест­вом тепла (Дж), необходимого для повышения температуры 1 кг материала на 1° Энергию, часто называемую физической теплотой, можно получить обратно по мере снижения темпера туры вещества Это основной принцип действия большинства солнечных тепловых аккумуляторов В табл 15 приводятся теплоаккумулирующие способности нескольких распространен­ных материалов

Выбор теплоаккумулирующей среды и солнечного коллекто­ра должен 'проводиться одновременно. Почти без исключения все системы жидкостного типа, будь то открытые (например, си­стема Томасона) или закрытые типа «труба в листе», требуют жидкой теплоаккумулирующей среды. В большинстве систем воздушного типа теплоаккумулирующая среда состоит из не­больших элементов — наиболее распространенными являются камни, небольшие (несколько кубических дециметров) сосуды с водой или эвтектические соли в контейнерах, которые дают возможность воздуху проходить вокруг и между ними, переда­вая им тепло. Альтернативными вариантами являются также системы, которые конструктивно сочетают в себе солнечный коллектор и аккумулятор тепла (см. часть III).

Аккумулятор для жидких систем. Существенным преимуще­ством жидкостных систем, содержащих бак-аккумулятор с во­дой, является их совместимость с солнечным охлаждением. Воду можно использовать практически для всех типов солнечного ох­лаждения, в том числе для ночного радиационного охлажде­ния, внепикового охлаждения при помощи небольших компрес­соров и циклов Ренкина и абсорбционного охлаждения. Наиболь­шим преимуществом воды в качестве теплоаккумулирующей среды является ее сравнительно низкая стоимость, за исключе­нием тех районов мира, где воды мало. Однако с водой связаны некоторые трудности, решение которых может вызвать значи­тельные затраты.

В последние годы удерживание больших объемов воды (от 100 до 350 м3 на 1 м3 коллектора) до некоторой степени стало проще благодаря появлению надежных гидроизоляционных ма­териалов и больших пластиковых листов. Раньше единственным сосудом был бак из оцинкованной стали, который в конечном счете протекал. Замена крупных баков, которые обычно разме­щаются в подвалах или под землей, является трудным и дорого­стоящим делом. Внедрение стеклофутеровкп и баков из стекло­волокна устранило проблемы коррозии, по увеличило первона-

чальные расходы Применение баков из литого бетона до недав­него времени сдерживалось трудностью и стоимостью обеспече­ния их долговременной герметичности; бетон водопроницаем и подвержен растрескиванию. Однако большие пластиковые ли­сты или мешки могут заменить собой бетон; пластиковые сосу­ды могут поддерживаться легкими деревянными или металличе­скими каркасами.

На рис. 5.83 показаны два способа хранения воды: первый — это наполненный водой бетонный (или шлакоблочный) контей­нер; второй — это система д-ра Гарри Томасона, т. е. бак с во­дой, окруженный камнями. В первом способе теплая вода из бака циркулирует в здание либо непосредственно через радиа­торы или теплоизлучающие панели, либо косвенно через змееви­ковые теплообменники, которые нагревают обтекающий их воз­дух, охлажденный їв помещении. Этот последний способ приме­нили в доме IV при Массачусетском технологическом институте в 1959 г. На рис. 5.84 показано поперечное сечение дома в шт. Вермонт на Среднем Западе, который был спроектирован Сью Бэртон Теннер. Система солнечного теплоснабжения, раз­работанная фирмой «Тотал энвайронментал экшн.», имеет в своем составе коллектор с открытым стоком воды. Теплообмен­ник отбирает тепло от аккумулятора и передает его в дом через большие стеновые и потолочные радиационные панели, позво­ляя использовать воду сравнительно низкой температуры. Вто­рой теплообменник подогревает воду для хозяйственных нужд, поступающую в обычный водонагреватель. Аккумулятор второго типа, изображенный на рис. 5.78, передает тепло медленно, но постоянно от бака с водой к камням. Охлажденный в доме воз­дух медленно циркулирует в больших объемах между нагретыми камнями и возвращается обратно в дом. В обоих случаях самая холодная вода на дне бака поступает в коллектор для подогре­ва, а затем возвращается в верхнюю часть бака. Эта нагретая в коллекторе вода используется для отопления дома.

Распределение температуры внутри водяного бака показано на рис. 5 85 Клоузом [9]. В баке высотой 1 м в начале дня от­мечается температура менее 20° С в 150 мм от дна п почти 35° С в 125 мм от верха. К концу дня эта разница становится несколь­ко меньше и составляет около 8°.

Большие размеры и высокая стоимость теплообменников мо­гут вызвать серьезные возражения против использования водя­ных баков-аккумуляторов. 25—50 т камней в системе Томасона, хотя и будучи дополнительным аккумулятором тепла, являются в некотором смысле чересчур внушительным теплообменником. У типичных металлических теплообменников, погруженных в воду, общая площадь поверхности теплообмена может состав­лять чуть ли не одну треть от площади солнечного коллектора.

Теплообменники необходимы, когда воду в баке невозможно использовать непосредственно для других целей, кроме аккуму-

Рис. 5 84. Коллекто­ры с наружным сто­ком воды и бак-ак­кумулятор в доме, шт. Вермонт (проект архит. Сью Бэртон Теннер с рекоменда­циями фирмы «Тотал энвайронментал экшн»)

1 — коллекторы: 2 — теп­лообменники для радиа­ционного отопления го­рячей водой; 3 — акку­мулятор

лядии тепла. Например, при использовании в коллекторе раст­вора антифриза в 'воде он должен проходить через теплообмен­ник во избежание смешивания его с водой в баке. Кроме того, при расчете теплоснабжения здания инженеры по отоплению обычно требуют, чтобы вода из бака не использовалась в отопи­тельной системе. Это особенно показательно для случая, когда вода из бака циркулирует через коллектор.

Ограничение выбора местоположения для больших сосудов с водой может оказаться выгодным для проектировщиков зда-
ний, которые не хотят ломать голову над тем, где установить крупный предмет. Однако для проектировщика, который хочет сделать теплоаккумулятор неотъемлемой частью всего проекта, размещение тяжелого и громоздкого бака может оказаться трудной задачей. Естественно, самосливные системы жидкост­ного типа требуют, чтобы аккумулятор находился ниже дна кол­лектора; термосифонные системы требуют, чтобы он находился выше верхней части коллектора. Если аккумуляционная система связана с другим оборудованием, например с отопителем, насо­сами, теплообменником и бытовыми водонагревателями, то мо­жет потребоваться ее близкое размещение к ним.

Аккумулятор для воздушных систем. Из нескольких тепло­аккумулирующих сред для систем воздушного типа, пожалуй, наиболее известными и употрсбимыми являются камни. Хотя применение этого материала кажется сравнительно дешевым и легким решением, однако такой выбор не всегда правилен. Наи­более существенным преимуществом камней является их низкая стоимость, если действительно камней много. Например, на большей части территории Новой Англии единственным видом камней является гравий диаметром 25—40 мм. В зависимости от конструкции и размеров отсека для камней могут потребовать­ся камни диаметром до 100 мм. На 1 м2 коллектора требуется от 35 до 180 кг камней из-за их малой теплоемкости. Огромное количество камней усложняет проблему их транспортировки и перегрузки, а также требует отсека, достаточного по размеру,

чтобы вместить их При 30% пустот объем камней, необходимый для аккумулирования того же количества тепла, что и бак с во­дой, должен быть в два с половиной раза больше

Большая периметральная площадь этих отсеков-аккумуля­торов влечет за собой более высокие строительные расходы и большие потери тепла Потенциальная возможность более зна­чительных потерь тепла из больших отсеков с камнями по срав­нению с меньшими по размеру водяными баками, тем не менее, компенсируется сравнительно медленным естественным движе­нием тепла через камни в отличие от постоянного движения воды внутри большого сосуда при изменении температуры (на­пример, из-за потери тепла)

Одним из серьезных ограничении в отношении камней яв­ляется недостаточность их универсальности как рабочих тел для других целей помимо аккумулирования тепла, они, например, не могут служить теплоносителем для подогрева воды, охлаж­дения и даже отопления жилого помещения Один из немногих и наиболее распространенных способов приготовления горячей воды в этом случае заключается в установке небольшого (от 100 до 400 дм3) неизолированного водяного бака между камнями. Теплообмен протекает медленно, но продолжается круглые сутки

Методы солнечного охлаждения применимы тогда, когда кам­ни удерживают прохладу для дальнейшего использования Эту прохладу можно получить путем циркуляции холодного ночного воздуха, воздуха, охлажденного ночной радиацией, или воздуха охлажденного внепиковыми холодильными компрессорами Коллекторы воздушного типа, обеспечивающие температуры до­статочно высокие для циклов охлаждения от 80 до 150° С, на­вряд ли будут разрабатываться Оборудование по кондициони­рованию воздуха, которое совместимо скорее с горячим возду­хом, чем с горячей жидкостью в качестве источника тепла, в настоящее время не выпускается

Воздушные системы ограничивают способ передачи тепла окружающему пространству Почти без исключения отопитель ные системы должны иметь принудительную циркуляцию теп­лого воздуха в отличие от теплоаккумуляторов типа водяного бака, где может применяться принудительная циркуляция теп­лой воды или теплого воздуха Однако, как рассматривалось в части III, воздух может циркулировать через камни естествен­ным путем, не нуждаясь в вентиляторах

На рис 5 86 показан сводчатый дом, спроектированный фир­мой «Тотал энвайронментал экшн», в котором отсек с камнями расположен в пределах помещения Передача тепла из отсека в помещение происходит медленно путем естественной конвек­ции из комнаты в нижнюю часть отсека и оттуда через верх, а при необходимости, при помощи небольших вспомогательных вентиляторов (купообразная конструкция была выбрана заказ-

Рис 5 86 Воздушные коллекторы (расположенные отдельно) и аккумулятор с твердой засыпкой в купольном доме, проект фирмы «Тотал знвайронментал экшн»

4 — панели коллектора В — контейнер аккумулятора с кирпичным или каменным щеб нем С — подземный изолированный капал для подачи воздуха

чиком, а отдельно стоящий коллектор указывает иа ограничения использования здания для жилых целей).

Местоположение теплового аккумулятора с камнями может явиться серьезным ограничением их использования. Если акку­мулятор размещается в подвале здания, то расходы на сооруже­ние отсека необязательно должны быть включены в общую стоимость системы солнечного теплоснабжения. Однако если под аккумулятор отводится подвал, предназначенный для других целей, или жилое помещение, то стоимость сооружения такого отсека добавляется к стоимости системы. На рис. 5.87 показано использование контейнера-аккумулятора с засыпкой из камней как части архитектурного элемента здания. В доме Джорджа Лёфа в Денвере этот способ применен довольно удачно. Однако из-за большого веса контейнеров или отсеков для камней под ними должны предусматриваться прочные фундаменты.

На рис. 5.88 представлен разрез дома в Бостоне по проекту фирмы «Тотал энвайронментал экшн», выполненному на средст­ва фирмы «АИА Рисерч корпорейшн» Американского института архитекторов [39]. Площадка для дома представляет собой крутой северный склон холма с высокими зданиями к югу. Кол­лектор устанавливается как можно выше, чтобы не попасть в тень от соседних зданий. Вследствие своих больших размеров и массы теплоаккумулирующий отсек с камнями находится на нижнем этаже здания.

В проекте предусматривается довольно простой способ пе­редачи тепла к отсеку и от него. На рис. 5.89, где показана схема солнечной системы, теплый воздух из коллектора поступает в верхнюю часть отсека. Он затягивается внутрь, выходит снизу и поступает обратно в коллектор. Для обогрева дома прохладный воздух поступает в нижнюю часть отсека и нагревается по мере подъема между камнями. Самые теплые камни наверху нагре­вают воздух до наибольшей степени. На рисунке также показа­ны цикл отопления на жидком топливе, в котором комнатный воздух обходит отсек с камнями. Обычно аккумуляторный отсек не должен нагреваться отопителем, за исключением случаев, когда он располагается внутри жилого помещения.

Одна из важных причин того, что теплый воздух подается из коллектора в верхнюю часть отсека, заключается в стремлении обеспечить температурную стратификацию. Это дает возмож­ность нагревать комнатный воздух до наивысшей возможной температуры при помощи самых теплых камней, находящихся в верхней части отсека. Если теплый воздух будет поступать через низ отсека, даже без перемещения внутри него, то тепло из ниж­ней части распределится равномерно по всему отсеку, что вызо­вет в нем общее понижение температуры. Подача комнатного воздуха в то же место, что и теплого воздуха из коллектора, будет способствовать этому выравниванию тепла по отсеку, а не нагреву воздуха в целях отопления здания.

Рис. 5 89 Схема системы солнечного теплоснабжения для дома в Бостоне [381

А — режим поглощения солнечной энер­гии Воздух поступает через дно коллек­тора и выходит через верх Нагретый воз­дух подается вниз, проходя через аккуму­лятор с химиями и нагрева его, и возвра­щается обратно в коллектор, В — режим отопления помещения Воздух засасыва­ется из жилого помещения и поступает в нижнюю часть аккумулятора При про­хождении через камни он нагревается и поступает обратно в жилое помещение; С — режим дублирующею отопления Ото­питель работающий па жидком топливе, нагревает воздух, поступающий из жилого помещения через приточную камеру в нижней части аккумулятора. Паї петый воздух поступает в жилое помещение че­рез верхнюю камеру аккумулятора, D — бак для приготовления горячей воды на­ходится внутри теплоаккумулирующей среды, которая играет роль или нагрева­теля, или подогревателя в зависимости от уровня температуры аккумулятора

На рис. 5.90 приведены температурные кривые для одного из теплоаккумулирующих цилиндров в доме д-ра Лёфа в течение суток. Стратификация могла бы быть более заметной, если бы воздух подавался через верх, а выходил через низ цилиндра. Во всяком случае перепад температур в течение суток составляет несколько более 20°.

Форма отсека аккумулятора имеет особое значение при ис­пользовании камней в качестве теплоаккумулирующей среды. Вообще, чем больше расстояние, которое воздуху требуется пройти через камни, тем больше должен быть диаметр камней для уменьшения перепада давления и снижения необходимой мощности вентилятора. Например, если отсек представляет собой высокий цилиндр (см. рис 5.87), то требуются камни большого диаметра. Если высота цилиндра более 2,5 м, то раз­мер камней должен быть по крайней мере 50 мм в диаметре; для более высоких цилиндров размер камней должен быть еще больше. Для приземистых, горизонтальных отсеков, которые обычно устанавливаются в подвалах, может подойти гравий диа­метром 25—50 мм (рис. 5.91).

Предлагаемые выше размеры в большей степени зависят от скорости проходящего через камни воздуха. Чем меньше ско­рость воздуха, тем мельче должны быть камни и тем толще их слой. По сути дела, увеличение перепада давления проходящего через камни воздушного потока прямо пропорционально увели­чению скорости воздуха. Разумеется, чем меньше камни в попе-

Рис. 5.91, В зависимости от фор­мы отсека и толщины слоя, через который проходит воздух, для ак­кумулятора солнечного тепла ис­пользуются камни разных разме­ров

a — вертикальный отсек: /-—теплый

воздух из коллектора; 2 — размер кам­ней в поперечнике 50—100 мм: 3 — хо­лодный воздух к коллектору; б — го­ризонтальный отсек; 4 — гравий в по­перечнике 25 — 50 мм; 5 — теплый воз­дух к дому; 6 — холодный воздух из дома

речвике, тем больше суммарная площадь поверхности камней, которая получает тепло от воздуха. Например, 30 дм3 камней диаметром 25 мм имеют площадь поверхности около 3,7 м2, а тот же объем камней диаметром 75 мм имеет втрое меньшую по­верхность. '

г

Рис. 5.93. Вертикальные воздушные коллекторы и водяной аккумулятор контейнерного типа в Джиллис-хаус (схема 1) [381

1 — отсек; 2 — коллектор

Наилучшие данные по определению зависимостей между диа­метром камней, скоростью воздуха и перепадом давления в аккумуляторе можно найти в работах Лёфа и Холи [25], Клоуза [11] и Бэрда и др. [4]. Вообще, камни или булыжники должны быть достаточно большими, чтобы поддерживать низкий пере­пад давлений при достаточно хорошем теплообмене.

В системах воздушного типа можно также использовать не­большие (несколько кубических дециметров) контейнеры для воды (или другого материала), которые можно разместить на стеллажах, полках или каким-либо другим способом, чтобы дать возможность воздуху беспрепятственно обтекать их. Такими контейнерами могут быть пластмассовые, стеклянные или алю­миниевые емкости, бутыли или банки. Иметь дело с тысячами небольших контейнеров — их сбор, наполнение и установка — представляется дорогостоящей и трудоемкой задачей. Проблема укладки или размещения контейнеров решается разными путя­ми, но, пожалуй, наиболее успешным является установка их па поддоны с последующим продуванием воздуха по горизонтали между поддонами (рис. 5.92). В части III показаны небольшие контейнеры, размещенные между балками перекрытий, пустоты здесь выступают в качестве воздушных коробов. Можно также использовать вертикальные пустоты теплоаккумулятора, служа­щие как перегородки между помещениями или как наружные стены. И опять, если аккумулятор тепла расположен внутри отапливаемого помещения или имеет контакт с ним, то все по­тери тепла из аккумулятора поступают в обогреваемое помеще­ние. На рис. 5.93 показан разрез дома, спроектированного фир­
мой «Тотал энвайронментал экшн» для строительства в шт. Массачусетс. В этом предварительном проекте воздух, циркули­руя в замкнутом контуре, проходит вверх через вертикальный, обращенный на юг коллектор, а затем опускается вниз через вер­тикальный объем, заполненный небольшими контейнерами с водой.

Стену такой конструкции не легко приспособить для камней, и в этом заключается одно из главных преимуществ контейне­ров с водой. Другое преимущество в том, что требуется мень­ший объем пространства для воды, чтобы аккумулировать то же количество тепла, что и камни. Приняв 50% пустот между кон­тейнерами, установили, что вода удерживает 2150 кДж на 1 м3 на 1 град разности температур. Камни при 30% пустот удержи­вают 1675 кДж /(м3-град). Если контейнеры с водой разместить лишь с 30% пустот, то при тех же условиях будет удерживаться 2880 кДж/ (м3-град).

Утечка воды навряд ли вызовет проблемы, поскольку в од­ном месте протечки потеря воды составит не более нескольких литров. Если этот вид поглощения и аккумулирования тепла сол­нечного излучения получит широкое распространение, то, по всей вероятности, будут выпускаться специальные контейнеры, например из твердых формованных пластмасс. Такие контейне­ры будут и конструктивными элементами, и их можно будет ста­вить друг на друга. Аналогичные контейнеры из более мягкого винила можно легко транспортировать и наполнять на месте. В конструкции будут заранее предусматриваться промежутки для прохождения воздушного потока.

Также по контракту с «АИА Рисерч корпорейшн» фирма «Тотал энвайронментал экшн» [39] использовала саму кон­струкцию дома для аккумулирования тепла. Система, показан­ная да рис. 5.94, разработана для Миннеаполиса.

Альтернативой камням и воде для систем с солнечными кол­лекторами воздушного типа являются фазопереходные (эвтек­тические) соли. Принцип аккумулирования тепла солями заклю­чается в том, что материал накапливает значительное количест­во тепловой энергии при переходе из твердого состояния в жидкое (в период плавления) и отдает накопленное тепло при затвердевании. Например, для изменения температуры 1 кг воды на 1 град требуется 1,055 кДж. Однако для изменения температуры льда на 1 град, чтобы он растаял, требуется уже 152 кДж.

Очевидно, что температура таяния льда слишком мала для аккумулирования полезного тепла, и вот уже более 30 лет про­водятся исследования с эвтектическими солями, имеющими бо­лее высокие температуры плавления. Наиболее широко изучен­ной является общеизвестная глауберова соль, которая плавится при температуре 32,2° С и в процессе плавления аккумулирует 244 кДж на 1 кг. Поэтому применение таких солей приводит к

Рис. 5.94. Проект солнечного дома для Миннеаполиса [39]

1 — комната отдыха; 2 — общая комната; 3 — спальня; 4 — тепло­вой аккумулятор; 5 —солнечный коллектор для приготовления горя­чей воды; в — солнечный коллек­тор; 7 — столовая; 8 — гараж

5230 10-54 °С

40 °С

Рис. 5.95. Сравнение объемов воды и фазопереходной глауберовой соли, необ­ходимых для аккумулирования одинакового количества тепла, в зависимости

от диапазона рабочих температур

1 — пода, 0,0283 м3 (28,1 кг); 2 — соль, 0,00311 м3 (4,53 кг); 0,0099 м3 (14,51 кг); 0,0141 м3 (20,41 кг); а —запасенная тепловая энергия, кДж; б —диапазон температур, °С; в — раз­ность температур, град существенному уменьшению объемов теплоаккумулирующих от­секов. Некоторые другие соли, подвергшиеся исследованиям, приведены в табл. 16. Разные температуры плавления дают воз­можность выбрать соль, которая обеспечивает для системы наи­более эффективную среднюю температуру в аккумуляторе тепла.

Преимущество солевого аккумулятора уменьшается по мере увеличения диапазона температур других теплоаккумулирующих сред. Например, на рис. 5.95 показано, что объем соли, необхо-

димый для накапливания того же количества тепла, что и дан­ным объемом воды, увеличивается по мере роста температурно­го интервала ваккумуляторе. На рисунке допускается, что объем воды не имеет пустот. К выбору подходящей соли для солнеч­ного теплоаккумулятора предъявляются некоторые требова­ния [11]:

соль должна быть сравнительно дешевой; ее фазовый переход должен обладать хорошим эффектом скрытой теплоты, т. е. соль при плавлении должна накапли­вать большое количество тепла; соль должна быть доступна в больших количествах; соль должна обладать хорошей воспроизводимостью свойств на протяжении большого числа фазопереходных циклов без серьезного ухудшения эффекта скрытой теплоты;

ее фазовый переход должен происходить вблизи от реальной температуры плавления соли;

приготовление солн для применения должно быть сравни тельно простым;

соль должна быть безвредной (нетоксичной, невоспламеняю­щейся, негорючей, некорродирующей);

способ упаковки соли в контейнер и материал контейнера должны обеспечивать наилучшие условия передачи тепла к соли п от нее.

Нынешняя стоимость глауберовой солн составляет чуть боль­ше цента за фунт (0,454 кг), однако другие соли могут быть зна­чительно дороже. Подготовка и укладка соли в контейнеры мо­гут намного повысить ее стоимость. Маловероятно, чтобы глаубе - рову соль можно было использовать в солнечной установке при затратах менее 20 центов за фунт, не включая сюда большой бункер, в котором находятся небольшие контейнеры с солью [4]. В температурном интервале, равном 15 град, каждый кило­грамм соли будет накапливать 223 кДж при плавлении и допол­нительные 42 кДж при изменении температуры на 15 град. Для аккумулирования же 70 кДж требуется 1 кг воды и около 5 кг камней. Подобную зависимость можно установить и для дру­гих случаев, если известен диапазон температур данной теплоак­кумулирующей системы. Затем по каждой теплоаккумулирую­щей среде можно провести сравнение стоимости сооружения, устройства изоляции и т. п.

Глауберова соль в настоящее время выпускается для широ­кого применения во многих районах США, чего, видимо, нельзя сказать о других солях. Подготовка солей для использования в аккумуляторе солнечного тепла имеет некоторые сложности. Значительные усилия были предприняты, в частности, д-ром Ма­рка Телкес сначала в Массачусетском технологическом институ­те в 50-х годах, а затем недавно в университете шт. Делавэр, для решения некоторых из этих проблем. Среди них — потеря солями эффекта высокой скрытой теплоты из-за расслоения хи­мических компонентов соли в жидкой фазе Для предупреждения такого разделения химических веществ добавляют загустители, примерно до 7% по массе. Соли также имеют тенденцию к пере­охлаждению до затвердевания, причем их температура опускает­ся намного ниже температуры плавления. Хорошие результаты дает внесение ядрообразующих добавок, например «Боракса» (до 3% по массе); переохлаждение практически устраняется при на­чале кристаллизации между 28,3 и 29,4° С. Для некоторых солей было зарегистрировано более тысячи циклов, а в последующих экспериментах было получено еще большее число.

Необходимо предусматривать такие контейнеры, которые бы противостояли агрессивной природе большинства солей даже при добавлении в них ингибиторов коррозии. В эксперименталь­ном солнечном доме '«Солар 1», построенном университетом шт. Делавэр в 1973 г, имеются пластмассовые трубки типа ABS диаметром 32 мм и толщиной стенки 0,75 мм. Соли были также помещены в горизонтальные контейнеры в виде поддонов со сто­роной около 600 мм и глубиной 25 мм. Поддоны устанавливались с зазором 6,5 мм для прохода воздуха. Контейнеры не должны протекать и пропускать пары. Форма контейнера способствует уменьшению расслоения и переохлаждения Пожалуй, наиболее значительная работа на эту тему была написана д-ром Телкес, в которой она сообщает о солях, помимо глауберовой соли, пла­вящихся при 12,8; 23,9 и 48,9° С и используемых в доме «Со­лар 1».

Сравнительно небольшой объем, занимаемый солями, обеспе­чивает универсальность размещения аккумулятора тепла. Для

этой цели, например, можно использовать чуланы, тонкие стены перегородок, конструктивные пустоты и другие пространства.

Парафин или воск по своей способности накапливать тепло находится где-то посередине между водой и эвтектическими со­лями Их удельная теплоемкость составляет лишь 2,9 кДж/кг, а плотность равна практически плотности воды 880 кг/м3. Одна­ко при плавлении парафин накапливает около 150 кДж на 1 кг по сравнению со 233 кДж/кг для глауберовой соли Он может быть значительно дешевле соли, особенно если его отпускной и транспортный контейнер использовать в солнечной установке, но парафин не только окисляет, но и корродирует пластмассы и не­которые металлы (вроде меди) Конечно, в процессе окисления он постепенно улетучивается в атмосферу, если не находится в герметическом сосуде И наоборот, по мере затвердевания и от­дачи тепла он сжимается, отставая и существенно снижая пере­дачу тепла от стенок контейнера

Наибольшим недостатком парафина является его горючесть В немногих строительных нормах разрешается его использова­ние внутри здания, несмотря на разрешение держать небольшие баки с горючим для отопления помещений Аккумулятор тепла с парафином, видимо, должен размещаться вне здания или бун­кер должен иметь весьма высокий предел огнестойкости.

Размеры аккумулятора. Разработано большое число методик расчета емкости аккумулятора. Многие из них более усложне­ны, чем это требуется, и их можно изложить в сравнительно про­стом виде, вводя некоторые допущения Однако большинство методов требует довольно точной информации по рабочим харак­теристикам коллектора, а также подробных погодных данных Поскольку такая информация иногда отсутствует, приходится выполнять приближения и, если возможно, предусматривать условия для изменения конечной емкости аккумулятора после установления действительных рабочих характеристик в процес­се эксплуатации. Например, бетонный резервуар для воды из­быточного размера можно наполнять до различных уровней в процессе реальной работы, пока не будут получены наилучшие характеристики системы.

Вообще, лучше иметь завышенные габариты аккумулятора, чем заниженные, чтобы поддерживать среднюю температуру на как можно более низком уровне Ограничение габаритов обычно обусловливается наличием необходимого пространства и воз­можностью установки аккумулятора с низкотемпературным теп­лом в жилом помещении Например, для отопительной системы с температурой воздуха 55° С, не подходит аккумулятор тепла со средней температурой менее 55° С. Исследования, проведен­ные фирмой «Тотал энвайронментал экшн » [38], показывают, что коллектор, работающий при средней температуре 32° С, улавливает в два раза больше энергии в течение отопительного сезона в Бостоне, чем коллектор со средней температурой 60° С

Соответственно, средние температуры аккумулятора в этих слу­чаях составляют 30 и 57° С. Полезный температурный диапазон для низкотемпературного аккумулятора может быть от 25 до 50° С, или полная разность температур около 22° С. Однако ак­кумулятор с более высокими температурами имеет потенци­ально более широкий диапазон температур при допущении, что отопительная система может работать с низкими температурами аккумулятора Если это так, то полезный температурный диапа­зон может быть от 27 до 77° С, или полная разность температур составит 50° С, примерно в два раза превышая величину для низкотемпературного аккумулятора. Поэтому высокотемпера­турный аккумулятор может быть в два раза меньше по габари­там, чем низкотемпературный, и аккумулировать то же коли­чество тепла.

В качестве примера 500 л воды накапливают 21 000 кДж при повышении ее температуры от 20 до 30° С и 2000 л воды аккуму­лируют то же количество при повышении температуры от 25 до 45° С.

При установлении габаритов аккумулятора необходимо опре­делить полный тепловой поток. За исключением необычных кон­струкций, единственным источником тепла для аккумулятора является коллектор (другими источниками бывают тепловые на­сосы, скважины и контактный нагрев). Это тепло теряется двумя основными путями: первый •— потери вследствие теплопроводно­сти (и иногда конвекции) из бака-аккумулятора непрерывно круглые сутки; второй — потери энергии, поступающей в здание в виде тепла, причем в количествах, меняющихся в самых широ­ких пределах каждый час и каждый месяц. Кроме того, энергия часто теряется при нагреве (или подогреве) воды для хозяйст­венных целей, однако эти потери более регулярны и предсказуе­мы благодаря сравнительно постоянному ежедневному спросу.

Аккумулирующая система любого типа требует большого количества изоляции для уменьшения потери тепла в окружаю­щую среду. Чем выше ее средняя температура и чем холоднее окружающая среда, тем больше требуется изоляции. Если акку­мулятор находится в пределах отапливаемого помещения, то изоляции требуется, естественно, меньше, чем в случае, когда он располагается вне здания или в подвале. Земля может служить изоляцией аккумулятору тепла, но полагаться на нее стоит в редких случаях; перемещение даже небольшого количества вла­ги через грунт практически сводит па нет его изоляционные свойства

Для низкотемпературного аккумулятора, расположенного в пределах отапливаемого помещения, должна применяться изоля­ция, эквивалентная по крайней мере 150-мм слою стекловолок­нистой изоляции (Д=~20) При температурах аккумулятора более 95° С, поддерживаемых в течение нескольких месяцев, дол­жна применяться высокоэффективная уретановая изоляция тол­щиной не менее 900 мм, например когда тепло запасается летом для зимнего использования. В доме IV Массачусетского техно­логического института, который был построен в 1959 г.; было поглощено тепловой энергии в количестве 43,2 -106 кДж в тече­ние шестимесячного отопительного сезона. Однако около 6,8Х ХІ06 кДж составили потери из бака с теплой водой, размещен­ного в неотапливаемом подвале; фактически использовано было только 36,4-10s кДж.

Все каналы п трубы должны иметь изоляцию в соответствии с теми же высокими стандартами, что и для аккумулирующего бака или бункера. Разумеется, близость бака-аккумулятора к коллектору уменьшает теплопотери от каналов и труб; также не­сколько снижается стоимость переноса энергии.

Одна из наиболее неточно распространяемых концепций сол­нечного отопления касается количества дней тепловой инерции солнечного накопителя тепла. Система, рассчитанная обеспечи­вать теплом в течение двух облачных дней в апреле, будет зна­чительно меньше системы, рассчитанной на два облачных дня в январе. Также система, обладающая двухдневной тепловой инер­цией для среднеянварских температур, будет более чем в два раза меньше системы, рассчитанной на два самых холодных дня в январе. Теплоснабжение в течение двух январских дней в Чарльстоне требует значительно меньшей системы, чем в Мин­неаполисе. Даже в Миннеаполисе система для дома с улучшен­ной изоляцией будет существенно меньше системы для зданий с обычной изоляцией. Кроме того, дом, который получает боль­шой приток солнечного тепла через окна и который имеет зна­чительную тепловую массу для накапливания тепла, не будет нуждаться в энергии от солнечного коллектора долгое время после исчезновения солнца.

Пожалуй, наилучший способ описания емкости теплоаккуму­лятора заключается в определении количества полезных кило­джоулей, которое он может накопить в данном диапазоне темпе­ратур. Следующая оценка предусматривает определение потерь тепла зданием на основе расчета килоджоулей на градусо-депь. Частным от деления этой величины на емкость теплоаккумуля­тора будет количество градусо-дней потребности в отоплении, которым аккумулятор тепла обеспечивает здание. Например, в доме с улучшенной изоляцией, имеющего площадь около ПО м2 и находящегося в Миннеаполисе, теплопотери могут составить до 10 500 кДж на 1 град-день. Его аккумулятор солнечного теп­ла вместимостью 3785 л воды удерживает 33 7600 кДж в темпе­ратурном интервале 22 град, обеспечивая дом достаточным теп­лом на протяжении 32 град-дней (это происходит, когда в тече­ние 24 ч внешняя температура составляет 0° С или в течение 48 ч— 10° С).

Последовательность солнечных и облачных дней также имеет значение для определения параметров аккумулятора. Экстре­

мальным оптимумом является регулярное чередование солнеч­ных и облачных дней. Можно рассчитать солнечную установку (в том числе приток солнечного тепла и тепловая масса здания) на поглощение тепла в течение одного солнечного дня с последу­ющим облачным днем. До 100% потребности в отоплении можно обеспечить за счет солнечной энергии, если система рассчитана на период из двух самых холодных дней.

Если последовательность выражается двумя солнечными дня­ми, за которыми следуют два облачных дня, то аккумулятор должен быть в два раза больше, чтобы удовлетворить потреб­ность в отоплении в течение двух облачных дней, в то же время габариты солнечного коллектора увеличатся незначительно или не увеличатся совсем. Если последовательность представляет собой один солнечный день, сменяемый двумя 'облачными, то размеры солнечного коллектора необходимо увеличить с тем, ‘ чтобы за один день собрать количество тепла, достаточное для последующих нескольких дней, однако аккумулятор будет того же размера, что и в случае последовательности два солнечных — два облачных дня. Широкие колебания последовательности сол­нечных и облачных дней для определенных местоположений и для страны в целом делают невозможным обобщенно говорить об этой проблеме. Помимо этого, не всегда широко доступны подробные погодные данные.

В районе метеорологической станции Блю-Хиллз вблизи Бо­стона половина облачных дней попадает между двумя днями, пригодными для использования солнечной энергии. Около 80% периодов облачной погоды длятся два дня или менее,' 90% —до трех дней, а ряд из четырех дней без солнца встреча­ется редко. Солнечная установка, которая продержит здание в Блю-Хиллз в течение трех облачных дней в самую холодную погоду, покроет почти 90% отопительной нагрузки.

Поскольку задача системы солнечного отопления заключа­ется в обеспечении 60% или менее потребности здания в отопле­нии, имеется два основных подхода к определению окончатель­ных размеров аккумулятора в районах страны с 50% возможной солнечной погоды. По первому методу сначала определяются параметры коллектора в соответствии с потребностями здания в данной географической точке; эта процедура описана выше. За­тем определяется диапазон средних температур аккумулятора. (Предварительно, чтобы определить выход энергии из коллек­тора и его размеры, находили среднюю рабочую температуру коллектора. Эту температуру можно принять на 3° С выше сред­ней температуры аккумулятора.)

После установления температурного интервала аккумулятора вычисляется количество тепла, которое можно накопить на 1 кг (или 1 м3) теплоаккумулирующей среды. Полученная величина делится на количество килоджоулей, которое солнечный коллек­тор уловит в течение среднего солнечного дня. Это и будет при­близительная общая масса или объем аккумулятора, который требовалось найти.

Например, если средняя температура коллектора равна 38° С, то средняя температура аккумулятора будет около 35° С. Полез­ный диапазон температур в течение суток может быть от 30 до 40° С, или 10 град. В 30 дм3 камней весом около 55 кг будет на­коплено примерно 530 кДж в температурном интервале 10 град Если солнечная установка улавливает на 1 м2 коллектора 11350 кДж за средний солнечный день, то на каждый 1 м2 по­верхности коллектора потребуется не менее 550 дм3 камней.

Чем больше повышение температуры в аккумуляторе тепла за один солнечный день, тем выше средняя рабочая температура коллектора и тем ниже общий КПД. Кроме того, в сравнительно теплую зимнюю погоду после второго солнечного дня темпера­тура аккумулятора поднимется еще выше, особенно если для поддержания температуры в здании требуется небольшое коли­чество тепла. На третий день температура еще больше поднимет­ся, вызвав дальнейшее повышение средней рабочей температуры коллектора.

Второй метод определения параметров теплоаккумулятора основан на количестве градусо-дней отопительной нагрузки, в соответствии с которыми система должна обеспечивать здание Определяется температурный интервал и средняя температура, затем подбирается коллектор соответствующих габаритов.

Пожалуй, одним из наиболее важных аспектов использова­ния солнечной энергии является необходимость в полногабарит­ной дублирующей отопительной системе на периоды холодной облачной погоды и на случай истощения аккумулятора солнеч­ного тепла. Если источником энергии для дублирующей системы является газ или электричество, то следует устанавливать пол­ногабаритное оборудование для обеспечения дублирующего отопления, которое может потребоваться, когда коммунальное хозяйство испытывает пиковый спрос. В настоящее время все чаще слышны выступления общественности в пользу ограниче­ния строительства электростанций, и использование солнечной энергии навряд ли уменьшит давление со стороны общественно­сти, если не будут снижены пиковые нагрузки на коммунальные службы. Если газ и электроэнергия используются для дублиро­вания, то наиболее подходящими для этого являются внепико­вые часы. В солнечном доме в Норвиче, шт. Вермонт, спроекти­рованном архит. Сту Уайтом, электроэнергия используется для нагрева огромного штабеля камней во внепиковые часы с 21 ч вечера до 7 ч утра до 30° С. Эта температура, как установлено инженерной фирмой по солнечной энергии «Тотал энвайронмен - тал экшн», достаточно высока для того, чтобы продержать зда­ние в течение всех периодов, за исключением самого холодного длительностью в сутки. В то же время температура на уровне 30° С достаточно низка, чтобы существенно увеличить приток солнечного тепла, если следующий день будет теплым и солнеч­ным

Более сложный вариант этого метода разработан фирмой «Бэрт, Хилл энд ассоушиэйтс» для конференц-центра і«Алюмніи» в г. Олбани, шт. Нью-Йорк. Простая логическая схема берет под контроль температуру теплоаккумулятора и сравнивает ее с прогнозируемыми потребностями здания в отоплении, которые основаны на ежедневных метеорологических прогнозах темпера­туры, ветра и солнечного сияния Если по прогнозу солнца не ожидается, то тепловой аккумулятор нагревается внепиковой электроэнергией до температуры, которая достаточна для под держания комфортных условий в здании в течение следующего дня. Если прогнозируется солнечная погода, то электроотопление включается ровно на столько, на сколько требуется дополнить предполагаемое солнечное тепло, если его будет недостаточно для удовлетворения общей потребности в отоплении.

Долговременный теплоаккумулятор. Экономические аспекты использования солнечной энергии непросты и еще более услож­няются тем, что случаются длительные периоды холодной, пас­мурной погоды. Помимо этого, различные компоненты солнеч­ных отопительных систем рассчитываются и детализируются до такой степени, чтобы выжать как можно больший КПД на их стыке с обычной вспомогательной системой. Такой процесс про­ектирования дорог и получающиеся системы сложны в эксплуа­тации.

Использование долговременных аккумуляторов поможет уменьшить сложности и, возможно, решить некоторые экономи­ческие проблемы. Долговременный аккумулятор лучше всего определить как устройство для хранения солнечной энергии в течение длительного времени после того, как она была уловлена например, от одного сезона до следующего, т. е. сообразуясь с законами природы. Главное различие между системой долго­временного аккумулирования тепла и обычной солнечной систе­мой заключается в первую очередь в устранении вспомогатель­ной дублирующей системы (печи) и сопутствующих составных частей на стыке двух систем. Сравним технологическую схему такой системы (рис 5 96) со схемами некоторых других систем. Тепловой насос может использовать этот долговременный акку­мулятор в качестве источника тепла (см. следующий раздел); если большой бак аккумулятора имеет достаточно высокую тем­пературу, то здание может воспользоваться теплом обычным пу­тем, например через радиационные панели или нагнетание горя­чего воздуха.

Средства, которые экономятся в результате ликвидации дуб­лирующей системы, можно использовать на сооружение отсека долговременного аккумулятора, так как 100% потребности в отоплении будут удовлетворяться за счет солнечной энергии (за исключением расхода электроэнергии для вентиляторов и насо­сов), то можно оправдать более высокие первоначальные затра­ты Например, солнечная установка с коллектором площадью 45 м2 и аккумулятором вместимостью 5 700 дм3 может стоить от 5000 до 7500 долл, включая обычный отопитель (для отопле ния в пасмурные дни) Такая конструкция дает экономию, эквивалентную 2 т жидкого топлива, каждый сезон, или 50% всей отопительной нагрузки, требующей расхода 3,8 т топлива Традиционный отопитель может стоить 1500 долл Вложив эти деньги в систему долговременного аккумулирования (отказав шись от отопителя) и, пожалуй, затратив дополнительно 1000— 2000 долл, можно сэкономить до 4 т топлива, что соответствует 100% общей отопительной нагрузки Таким образом, все затра­ты на систему могут составить от 6000 до 9500 долл, а единст венные расходы на систему отопления будут касаться только электроснабжения насосов для коллектора

Г К Хоттел сообщает, что обработка результатов испытания первого солнечного дома Массачусетского технологического ин­ститута в 1939 г показала неэкономичность улавливания летнего тепла солнечного излучения для использования его зимой (рис 5 97) В доме расположен водяной бак аккумулятор вме­стимостью около 65 т Вокруг бака уложен слой изоляции тол щиной 600 мм Температура бака была в пределах 50—90° С, и в течение двух сезонов эксплуатации тепла от дополнительного источника не требовалось Однако затраты оказались слишком высокими Вполне возможно, что эти экономические факторы из­менились с тех пор н стали более благоприятными скорее для крупных объектов, чем для односемейных коттеджей

Э А Оллкат и Ф К Хупер применили тепловую модель, составленную при помощи ЭВМ, которая показывает, что для дома в Торонто с отопительной нагрузкой 1500 кДж/(ч-град) температура теплоаккумулирующего бака вместимостью 230 т будет снижаться с 60 до 28° С на протяжении отопительного се­зона (рис 5 98) Объем аккумулятора равноценен объему отап ливаемого помещения

В доме «Солтерра», разработанном Уильямом Б Эдмундсо- ном в 1966 г, используется смонтированный на крыше коллек тор, через который проходит и нагревается воздух (рис 5 99) Нагретый воздух циркулирует по трубкам диаметром 100 мм, которые погружены в отсек теплоаккумулятора под домом От­сек имеет бетонные стены, пол и покрытие и заполнен водонасы щенной жирной глиной, песком, гравием п даже дробленым камнем Тепло можно запасать в большом количестве, так что тепло от дополнительного источника пе потребуется в течение многих недель В этом случае солнечные коллекторы можно бы­ло бы рассчитать на обеспечение всей потребности в отоплении, а вспомогательная отопительная система была бы не нужна

В своем проекте Эдмундсон принял массу влажного груша 1600 кг/м3 и удельную теплоемкость 1,84 кДж/(кг-°С) при теп-

Рис 5 96 Система долговременного аккумулирования тепла Солнечная уста повка собирает и аккумулирует тепло солнечного излучения круглый год в ясную погоду Когда необходимо тепло используется в здании Вспомога­тельной дублирующей системы (на органическом топливе) не требуется 1 — солнечный коллектор 2 — аккумулятор 3 — жилище 4 — температура 30—90° С

лоаккумулирующей способности около 2950 кДж/(м3-град). Если грунт нагревать от 27 до 55° С, то он аккумулирует около 81 650 кДж/м3. Отсек Эдмундсона имеет объем 250 м3; общая длина труб составляет 610 м, что обеспечивает поверхность теплообмена между трубами и грунтом, равную 260 м2. При вышеприведенных условиях в отсеке накопится около 20-106 кДж. Если дополнительная нагрузка дома составляет 28 485 кДж/град-день, то наружная температура может в среднем составлять (—ГС) в течение 40 дней, прежде чем израсходуют­ся 20• 106 кДж (приняв отсутствие потери тепла из отсека).

Летом тепло улавливается и хранится в отсеке. Затем оно обогащается тепловым насосом, чтобы поднять температуру, скажем, от 60 до 120° С, которая достаточна для работы конди­ционера абсорбционного типа.

Швейцарский инженер Эрнст Шёнхольцер занялся пробле­мой долговременного аккумулирования тепла в 1969 г., но в крупном масштабе и без экономического анализа. Особенно его интересовало уменьшение загрязнения городской среды зимой, тем не менее его рекомендации касались также уменьшения рас-

хода ископаемого топлива. Ниже вкратце приводятся результаты его работы [34].

Для одного здания. Допустим, что температура ак­кумулятора может быть доведена до 90° С; сбор солнечного теп­ла начинаем 1 апреля при температуре аккумулятора 25°С и продолжаем до 1 октября, доведя температуру до 90° С. Допу­стим, что температура аккумулятора снизится снова до 30° С к концу отопительного сезона (за 4380 ч).

Примем сезонную потребность в отоплении 42,2-10® кДж (в доме IV Массачусетского технологического института потреб­ность была вдвое большей, включая приготовление горячей во­ды). Аккумулятор тепла представляет собой цилиндрический сосуд для воды диаметром, равным его высоте — 6 м (около 170 м3). Для стоквартирного дома делаются те же допущения, что и выше: 42,2-106 кДж/квартира/сезон, 4-4,055-109 кДж всего для 100 квартир; температура аккумулятора 30° С 1 апре­ля и 90° С 1 октября. Тепловой аккумулятор представляет собой цилиндрический сосуд для воды диаметром, равным его высоте (29 м) (169-102 т).

Результаты. Шёнхольцер вычислил, что если тепло не исполь­зуется в течение отопительного сезона, то температура малого бака опустится до 76° С, а температура большого бака — только до 85° С (в период с 1 октября по 1 апреля). Он не проводил экономического анализа, однако предположил, что более круп­ная установка, по-видимому, будет экономичнее.

Некоторые дополнительные аспекты, касающиеся аккумули­рования тепла для долговременного хранения. Для достижения температуры 90° С могут потребоваться более дорогостоящие коллекторы (например, фокусирующего типа). Однако каждый квадратный метр коллектора будет экономить большее количест­во топлива, чем в случае эксплуатации только в зимний период.

Коллекторы могут работать круглый год, а не только летом, снабжая теплом аккумулятор даже тогда, когда он используется для отопления здания. В результате можно будет установить меньший по размеру бак, чем предложенный Шёнхольцером, или вместо этого добавить в общую потребность приготовление горячей воды.

Дом IV Массачусетского технологического института накап­ливал в день в течение зимы 3975 кДж/м2. Разумно предполо­жить, что эта цифра удвоится в летний период. Если тепло будет улавливаться только летом, то средняя цифра составит 1430 кДж/м2 за лето. Чтобы собрать 42,2 ДО6 кДж (отопительная нагрузка квартиры), площадь коллектора должна составлять 37 м2, (меньше обычно требуемой). Коллекторы могут находить­ся в горизонтальном .положении на плоских крышах вместо на­клонного. Установка аккумулятора должна быть закончена вее - t ной или в начале лета для того, чтобы было достаточно времени для нагрева бака до наступления зимы. '

ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОТОПЛЕНИЕ

Пожалуй, одним из наиболее часто задаваёмых вопросов людьми, которые хотят понять использование солнечной энергии для отопления (или для любой другой цели), будет вопрос: что делать, когда солнце не светит? Поняв концепцию запасания энергии, они задают следующий вопрос: но что делать, когда в аккумуляторе больше не остается тепловой энергии? Вопрос за­кономерен, и необходимость в дублирующей, часто традицион­ной системе является серьезным камнем преткновения для ши­рокого принятия солнечной энергии в качестве альтернативы существующим источникам энергии.

Относительная редкость необычно холодной и облачной по­годы в действительности не снимает остроты проблемы. Если мощности системы солнечного теплоснабжения недостаточно, чтобы продержать здание в течение периода холодной, пасмур­ной погоды, то последствия, даже один раз за зиму, могут быть достаточно серьезными, чтобы предусматривать в качестве дуб­лирующей обычную полномерную систему отопления. Большин­ство зданий, отапливаемых солнечной энергией, нуждаются в полномерной дублирующей системе. В настоящее время солнеч­ная энергия должна рассматриваться как средство снижения расхода нефти, угля, газа или электроэнергии, а не полный их заменитель.

Обычные отопители являются подходящими дублерами, но существует немало и других альтернатив. Другие «обогреватели помещения» включают камины, дровяные печи и целый ряд ка­лориферов, работающих на дровах, с КПД от 15 до 75%. Такие дублирующие устройства, как тепловые насосы, рассматривают­ся в следующем разделе.

Предположим, однако, что нам захотелось сделать систему солнечного теплоснабжения достаточно большой, чтобы обеспе­чить теплом помещение в наиболее неблагоприятных условиях. Поскольку сочетание очень холодных дней и долгих периодов облачной погоды случается редко, то дополнительные размеры солнечной энергетической установки (коллектор и аккумуля­тор), которые потребуются для этих случаев, обойдутся слиш­ком дорого при сравнительно небольшой экономии топлива. Кроме того, большую часть времени система будет - работать при мощности ниже номинальной.

Схема (см. рис. 5 60) и таблица в разделе «Определение па­раметров коллектора» показывают, что система солнечного теп­лоснабжения, рассчитанная на обеспечение 50% отопительной нагрузки, может дать достаточно тепла только на один день очень холодной погоды. При удвоении размеров солнечной систе­мы до 93 м2 дом будет обеспечен теплом в течение двух холод­ных пасмурных дней. Для периодов более двух дней последую­щее увеличение размеров будет столь же неоправданным, как и предыдущее. Кроме того, -будут периоды мягкой погоды, когда второе увеличение не потребуется.

Теперь если увеличить площадь коллекторов отопительной системы до 140 м2, чтобы продержаться три холодных и облач­ных дня, то теоретически она будет достаточной для обеспечения половины всей потребности дома в отоплении в течение зимы. Но, разумеется, па практике этого может не быть, поскольку случается иногда четыре (и более) дня подряд холодной облач­ной погоды. Чтобы учесть этот четвертый день, нам потребуется система солнечного отопления, которая теоретически может со­брать в два раза больше тепла, чем это необходимо зданию в течение отопительного сезона. Ясно, что холодные и облачные периоды могут быть более продолжительными, чем предусмо­трено в проекте системы солнечного теплоснабжения. Чем боль­ше коллектор, тем менее интенсивно используется каждое до­полнительное приращение его размеров, тем меньше энергии экономится на квадратный метр поверхности коллектора и тем меньше окупаемость капиталовложений на каждый дополнитель­ный квадратный метр.

Тем не менее предпринимались смелые попытки накопить достаточное количество тепловой энергии солнечного излучения для покрытия всей потребности в отоплении и отказаться от вспомогательной системы отопления. Массачусетский техноло­гический институт достиг этой цели со своим первым солнеч­ным домом в 1939 г., но причины здесь были другие, а осуществ­лено это было путем аккумулирования тепла круглый год при помощи огромного бака с водой. С возможным исключением та­ких систем, как солнечный дом с плоской крышей Гарольда Хэя в Калифорнии, долговременное аккумулирование тепла являет­ся, пожалуй, единственной альтернативой вспомогательной системе (см. раздел в предыдущей главе «Долговременное ак­кумулирование тепла»), В 1954 г. Доновэн и Блисс снабдили системой солнечного отопления существующее здание, которое продержалось на аккумулированном тепле в течение пяти дней холодной облачной погоды. Система была дорогостоящей, при­чем климат в Лмадо, шт Аризона, сравнительно мягкий. Гарри Томасон близко подошел к 100%-ному солнечному отоплению в своем первом доме в Вашингтоне в 1959 г.; только 5% отопи­тельной нагрузки покрывалось за счет стандартного отопителя на жидком топливе.

Если вспомогательная система покрывает лишь небольшой процент всей нагрузки, то есть смысл использовать электроотоп - ленпе, несмотря на то что оно требует производства значитель­ного количества энергии на электростанции, которая затем пре­образуется в тепло для обогрева (на электростанции расходует­ся от 10 500 до 13 700 кДж для производства 1 кВт-ч тепловой энергии в здании. Отопитель на жидком топливе с КПД 65% расходует около 5500 кДж, чтобы получить тот же результат).

В большинстве случаев электрообогреватель будет дешевле неф­тяной или газовой печи, а сравнительно небольшое количество электроэнергии, необходимой для обогрева здания, может оп­равдать его применение. Кроме того, электронагреватель — ме­нее материалоемкое устройство благодаря сравнительно неболь­шому количеству материала (по сравнению с отопителем), идущему на изготовление электроспиралей К сожалению, такая система не может облегчить проблему пикового спроса, посколь­ку зимой он обычно возникает в холодные пасмурные дни и ночи, когда накопленное солнечное тепло истощается.

Так как КПД солнечного коллектора существенно возраста­ет, если эксплуатировать его при низких температурах, то отопи­тельная система должна рассчитываться на использование как можно более низких температур — даже на уровне 24—27° С. Одно из достоинств системы Томасона, использующей теплый воздух, заключается в том, что она продолжает извлекать полез­ное тепло из аккумулятора при температурах, почти равных тем­пературе помещения. В доме IV Массачусетского технологиче­ского института имелся водовоздушный теплообменник, в кото­ром использовалось тепло при температуре водяного аккумуля­тора 29°С. Пар при температуре более 100°С является сравни­тельно высокотемпературным теплоносителем по сравнению с используемыми в отоплении горячей водой (от 30 до 70° С) или теплым воздухом (от 27 до 55° С). Попытки соединить пар с системами солнечного отопления обычно практически неосуще­ствимы. При применении паровых или высокотемпературных во­дяных систем тепло от солнечной установки должно поступать в помещение через независимую систему, например путем прину­дительной циркуляции или посредством низкотемпературных теплообменных радиационных панелей с горячей водой. Это на­иболее применимо для существующих зданий, большинство же крупных зданий имеет высокотемпературные системы

В новом строительстве отопительные системы можно рассчи­тать на использование более низких температур, например путем удлинения трубчато-ребристых радиаторов с горячей водой, уве­личения размеров радиационных панелей или увеличения объе­ма воздуха более низкой температуры. Проектировщики чаще всего останавливают свой выбор на отоплении помещения с помощью теплого воздуха или па применении увеличенных ра­диационных панелей. В системе воздушного отопления лучше всего используется низкотемпературное запасенное тепло Лу­чистые отопительные панели имеют длительное запаздывание (между включением системы и нагревом воздушного пространст­ва) и обычно требуют более высоких рабочих температур тепло­носителя, чем системы с горячим воздухом. Поэтому тепло из аккумулирующего устройства не используется в полной мере при более низких температурах, которые приемлемы для систем с теплым воздухом, да и общий КПД такой системы ниже Пре­вышение размеров системы из радиационных панелей для по­лучения результатов, аналогичных результатам при использо­вании воздуха, может повлечь за собой значительные дополни­тельные затраты.

Для того чтобы повысить общий КПД системы (солнечного отопления п вспомогательной дублирующей системы) и одновре­менно снизить общие затраты путем ликвидации простоя состав­ных частей, многие проектировщики избрали путь интегрирова­ния солнечного коллектора и аккумулятора со вспомогательной системой Общими являются такие составные элементы, как вентиляторы, насосы, теплообменники, органы управления, тру­бы и воздуховоды. На рисунках в разделе «Системное проекти­рование» показаны различные схемы таких систем Ловушкой при проектировании стыковых элементов между системами яв­ляется увеличение органов управления и движущихся частей, что повышает вероятность механических поломок. Искушение увеличить на 1—2% КПД путем добавления еще одного прибо­ра или устройства на стыке систем является почти непреодоли­мым и может быть наиболее распространенной причиной выхо да из строя солнечной отопительной системы (это также одна из основных причин упора в данной книге на простые технологиче­ские решения). Обычно вспомогательный обогреватель не дол­жен нагревать отсек аккумулятора солнечного тепла Если это происходит, то температура аккумулятора будет всегда близка к требуемой, а фаза собирания солнечного тепла будет менее эффективной, так как почти всегда этот процесс будет проте­кать при более высоких температурах. В других системах сниже­ние температуры аккумулятора благодаря использованию тепла зданием на деле повышает общий КПД системы.

Причины других недостатков этой схемы объясняются боль­шей потерей тепла из аккумулятора из-за его постоянно высо­ких полезных температур В системах, в которых вспомогатель­ное оборудование не нагревает аккумулятор, последний будет терять значительно меньше тепла при отсутствии солнца в течение нескольких дней и сравнительном охлаждении бака. Даже в спроектированных таким путем системах потери тепла из контейнера составляли от 5 до 20% всего тепла, поглощенного системой солнечного отопления. С аккумулятором, обогреваемом вспомогательным оборудованием, потеря тепла будет значитель­но выше и может быть оправдана, если контейнер аккумулятора находится внутри отапливаемого помещения здания.

Тепловые насосы. Тепловой насос применяется как комбини­рованное дублирующее и вспомогательное устройство для неко­торых солнечных энергетических установок (принципы его рабо­ты подробно объясняются в разделе [«Принципы действия тепло­го насоса».) Хотя он также используется и для охлаждения, в отопительном режиме тепловой насос представляет собой глав­ным образом холодильное устройство, работающее наоборот: оно забирает тепло из одного объема и переносит его при более высокой температуре в другой. В результате первый объем охлаждается, а второй нагревается.

В среднем на каждые 2 кДж, которые насос забирает из дан­ного объема, приходится 1 кДж, необходимый для работы устрой­ства; насос подводит 3 кДж к отапливаемому помещению. Теп­ловой коэффициент обычно определяется отношением количест­ва подводимого тепла к количеству тепла, необходимого для работы. В данном случае рабочий коэффициент равен 3. Для тепловых насосов этот коэффициент находится в пределах от 2,5 до 3. С другой стороны, прямое электроотопление подводит толь­ко 1 кДж па 1 затраченный, или тепловой коэффициент равен 1.

Главным преимуществом применения тепловых насосов для отопления помещений в сочетании с солнечной энергией явля­ется то, что запасенное тепло используется в намного более ши­роком диапазоне температур. Система с принудительной подачей воздуха без теплового насоса может работать при температу­рах аккумулятора от 24—27° С (система Томасона) до, пожалуй, 50—60° С; диапазон для системы с горячей водой будет несколь­ко выше: от 32 до 60° С. Однако при добавлении теплового насо­са температура аккумулятора тепла, составляющая 5° С, будет повышена до диапазона 30—60° С. Это потребует увеличения контейнера теплового аккумулятора, а поскольку аккумулятор часто работает при более низких температурах, то общий КПД системы солнечного отопления повышается. Помимо этого, си­стема будет собирать тепло даже при температуре коллектора 10-— 15° С. Это увеличивает количество энергии, которое эконо­мится каждым квадратным метром коллектора, и обеспечивает более быстрое окупание его высокой первоначальной стоимости.

При недостатке тепла в солнечном аккумуляторе (темпера­туры ниже 5° С) источником для теплового насоса может стать наружный воздух (в случае «воздухо-воздушного» или «воздухо­водяного» теплового насоса). При снижении температуры на­ружного воздуха ниже 5° С включаются спирали электронагрева, и система становится, в некотором смысле, электроотопительной.

Летом тепловой насос можно использовать наоборот'—для охлаждения. В сочетании с солнечными установками такой на­сос может работать ночью, охлаждая тепловой аккумулятор для следующего дня. Это дает возможность воспользоваться элек­троэнергией ночью в периоды низкого спроса, а не днем в перио­ды пикового спроса. Благодаря этому уменьшится пиковая на­грузка на электростанции, но не снизится общий расход энергии на процесс охлаждения.

Охлаждение можно также осуществлять, используя тепло­вой насос для охлаждения здания в течение дня при одновремен­ном нагреве теплового аккумулятора (используя аккумулятор в качестве теплоприемника). Тепло сбрасывается ночью через коллектор, который работает теперь как «радиатор», излучая

тепло ё прохладную ночную атмосферу. Коллекторы, Используе­мые для этой цели, работают наилучшим образом, если их уста­навливать с наклоном на север. Однако более важным, чем ориентация, является то, чтобы они не имели прозрачного верх­него покрытия. Все подобные покрытия задерживают определен­ную часть направленного во вне излучения тепла; стекло выпол­няет эту задачу настолько хорошо, что задерживает радиацию почти на 100%- Поверхность теплоприемника коллектора, дейст­вующего в качестве ночного радиатора, должна быть покрыта матовой черной краской с высокой степенью черноты, а не селек­тивным слоем, который имеет низкую степень черноты.

Хотя тепловой насос перемещает в два-три раза больше энер­гии, чем требуется для его работы, трудность оправдания его использования заключается в том, что при выработке электро­энергии на электростанции затрачивается в три раза больше ресурсов, чем затрачивается тепловым насосом. При расходе 11 920 кДж на электростанции из них 3600 кДж (1 кВт-ч) идет на тепловой насос, чтобы переместить 7385 кДж от источника тепла к теплоприемнику. Тогда общее количество тепла, посту­пившее в теплоприемник, составит 10 985 кДж (3600 и 7385), в то время как на электростанции было израсходовано 11 920 кДж. Поэтому действительный полный тепловой коэффи­циент теплового насоса близок к единице, а не к трем. Если добавить электроэнергию, расходуемую вентиляторами и насо­сами системы солнечного отопления, к энергии, которая требу­ется для теплового насоса, то общий расход энергии будет часто эквивалентен расходу энергии системой, работающей на нефти или газе, без использования солнечной энергии.

Солнечные объекты, где применяются тепловые насосы, от­личаются повышенным расходом электроэнергии, которая явля­ется дублером солнечной энергии. Например, в лаборатории г. Нагоя, Япония (принадлежащей правительственному Инсти­туту промышленных исследований) в 1958 г. тепловой насос за­тратил 1370 кВт-ч. На электростанции это потребовало выра­ботки 16,3-106 кДж, а система солнечного теплоснабжения сама поставила лишь 15,3 -106 кДж. Полная потребность здания в отоплении за сезон составила сумму солнечной энергии и энер­гии па тепловой насос (4,7+15,3 млн. = 20-106 кДж).

Второй солнечный дом Масаносуке Яиагимачи (1958) за сезон требует 67,5-106 кДж тепла. Система солнечного отопле­ния обеспечивает 47-106 кДж, но, поскольку тепловой насос по­требовал 5580 кВт-ч, на электростанции было затрачено 66,4х X10° кДж, почти столько же, сколько необходимо было для здания.

Доновэн и Блисс добились несколько больших успехов в своей лаборатории в Финиксе (1959). Общая потребность зда­ния в отоплении составляла около 37,5-106 кДж. Не менее 30 млн. кДж из этого числа обеспечивалось за счет солнечной энергии и примерно 18 млн. кДж расходовалось на электростан­ции для обеспечения работы теплового насоса, который ‘потреб­лял 1470 кВт-ч.

Административное здание с солнечным отоплением и охлаж­дением в Альбукерке, спроектированное Бриджерсом и Паксто­ном (1956), имело, пожалуй, наилучшие рабочие характеристи­ки в этом отношении. Общая отопительная нагрузка составляла около 179• 106 кДж, из которых 454-106 кДж обеспечивалось за счет солнечной энергии, а на электростанции расходовалось только 46 млн. кДж для производства 3900 кВт-ч, потребляемых тепловым насосом. Таким образом, выбор тепловых насосов не открывает прямой путь к их применению совместно с солнечной энергией. Необходим полный анализ расхода энергии за каждый месяц отопительного сезона, чтобы определить количество элек­троэнергии, которое требуется для теплового насоса для допол­нения солнечной энергии. В анализ должно войти количество энергии, затрачиваемое на электростанции для производства электричества, которое используется тепловым насосом.