Энергия

ПРИГОТОВЛЕНИЕ ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ ПРИ ПОМОЩИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

На приготовление горячей воды для бытовых нужд (для мытья, стирки и т. д.) в настоящее время расходуется около 12% энергии, потребляемой в США в жилищной и коммуналь­ной сфере. Этот огромный спрос на энергию удовлетворяется главным образом за счет обычных источников, таких как газ, нефть и электроэнергия. Однако значительную часть этого спро­са можно удовлетворить за счет широкого применения устройств солнечного водонагрева при помощи освоенной и хорошо заре­комендовавшей себя технологии. За исключением Флориды и южной Калифорнии, солнечные водонагреватели пока не нашли широкого рынка в Соединенных Штатах, однако они достаточно популярны в Израиле, Австралии, Японии и других странах. Дешевизна и устойчивое предложение обычного топлива в США до недавнего времени были главным фактором, препятствую­щим широкому распространению солнечных водонагревателей (СВН). Недавние изменения в обеспечении топливом и осозна­ние того факта, что «бочка небездонна», заставляет нас внима­тельно изучать возможности использования солнечной энергии, в том числе и для обеспечения горячего водоснабжения.

Технология использования солнечной энергии для нагрева воды во многих отношениях аналогична системам солнечного отопления зданий. Однако есть ряд характерных особенностей этой технологии, которые создают потенциально лучшие условия для вложения средств и усилий, чем в случае солнечного отоп­ления.

Прежде всего нагрузка на горячее водоснабжение в течение года сравнительно постоянна. Таким образом, коллектор и дру­гие части солнечного водонагревателя будут работать при пол­ной нагрузке максимально возможное время, экономя при этом топливо, что в конечном счете должно довольно быстро окупать высокую начальную стоимость системы. Что касается системы солнечного отопления здания, то она полностью функционирует только в самые холодные месяцы отопительного сезона.

Для более точного соответствия спросу можно также уста­новить четкие параметры подогревателя СВН. Несмотря на то что отопительные системы испытывают экстремальные нагрузки в течение лишь ограниченного периода года, они должны быть достаточно большими, чтобы справляться с такими нагрузками.

В отличие от этого система СВИ будет испытывать примерно одну и ту же нагрузку во все дни года. За исключением случаев нестандартных применений расчетная нагрузка СВН (ожидает­ся максимальная нагрузка) должна приближаться к нормаль­ной ежедневной нагрузке. Для СВН не характерны проблемы колебания спроса, и они могут быть по сравнению с солнечными обогревателями зданий значительно дешевле и проще.

Общей для всех типов систем солнечного теплоснабжения является проблема переменного поступления солнечной радиа­ции. Однако и в этом отношении СВН часто имеют ряд преиму­ществ перед солнечными отопительными системами, поскольку к режиму приготовления горячей воды требования предъявлены менее жесткие, чем к системе отопления помещений. Если будет продолжительный бессолнечный период, в течение которого за­пас горячей воды иссякнет, то, по-видимому, последствия будут менее серьезными, чем если бы здание потеряло свое тепло. Есть разница между чуть более длительной стиркой в горячей воде и замерзанием или разрывом труб от мороза; между похо­дом к приятелю, чтобы принять душ, и замерзанием растений и продуктов питания. Разумеется, никто не рискнет оставить без горячей воды многие нуждающиеся в ней торговые и промыш­ленные установки и оборудование; им необходима система с на­дежным запасом мощности и солидный дополнительный нагре­ватель. Однако если согласиться с некоторыми неудобствами и неустойчивостью работы, то систему СВН конструктивно можно существенно упростить.

Для обеспечения постоянной нагрузки на горячее водоснаб­жение в системе необходимо предусмотреть установку вспомо­гательного нагревателя. Самым простым является обычный во­донагреватель с автоматикой, который надежен и прост в обра­щении. Задача этого подогревателя состоит в устранении раз­ницы между температурой воды, поступающей из солнечного подогревателя, и постоянной температурой воды, задаваемой потребителем. Если солнечный водонагреватель полностью обес­печивает требуемую температуру, то вспомогательный подогре­ватель не включается. Поэтому управление такой системой го­раздо проще, чем большинством отопительных систем. Многие системы СВН не требуют других дополнительных регуляторов, кроме термостата, который поставляется вместе с обычным во­донагревателем. Конечно, существуют системы СВН, к которым предъявляются особые требования или в которых используются более сложные вспомогательные источники тепла. Но и в этих случаях, как правило, при обеспечении дополнительным теплом систем СВН возникает меньше проблем, чем с системами сол­нечного отопления помещений.

Все эти характеристики систем СВН (сходство с системами солнечного отопления помещений, круглогодичный спрос, по­стоянная нагрузка, менее жесткие требования к эксплуатации, простота в управлении и Возможность применения вспомогатель­ных устройств) делают их привлекательными для любого, заин­тересованного в использовании солнечной энергии для собствен­ных нужд. Кроме того, габариты нагревательной системы СВН значительно меньше, чем у большинства систем солнечного отоп­ления. В то же время капитальные затраты невелики, и готовое изделие сразу же годно для использования.

Работа систем, использующих для подогрева воды солнечную энергию, имеет несколько специфических особенностей. Одна из них связана с изменением количества воды, подлежащей подо­греву. На практике принято считать, что средний ежедневный расход воды на человека равен 100 л для жилых домов обыч­ного типа и 150 л для квартир-люкс. С другой стороны, в Авст­ралии для бытовых целей считается нормой расход 40 л в сутки на человека. Вообще, одну треть общего суточного расхода воды в доме будет составлять горячая вода, а максимально возмож­ная потребность в час обычно составляет одну десятую от обще­го расхода в сутки. Эти данные основаны на графиках текущего потребления, которое носит спорадический характер: большой спрос рано утром и вечером, соответствующий главным образом принятию ванны и мытью посуды. Торговые и промышленные здания имеют, как правило, особые режимы потребления, по­этому расход должен определяться в соответствии с условиями режима потребления.

Для того чтобы наилучшим образом обеспечить нагрузки, необходимо в каждом случае применять наивыгоднейшую схему СВН. Этот путь может потребовать ряда компромиссов. Напри­мер, одним из самых простых видов СВН является черный рези­новый шланг, обогреваемый солнечными лучами. Регулируя скорость потока через шланг, можно получить струю горячей воды с постоянной температурой. Если эту воду использовать непосредственно по мере ее вытекания из шланга, то она будет практически бесплатна. Однако если вы захотите использовать ее для душа или мытья посуды вечером, то для этого воду при­дется собирать в бак. Если воду требуется пустить в дело утром, то бак должен иметь теплоизоляцию, чтобы вода не остыла за ночь. Если горячая вода необходима в облачные дни, то бак должен быть больше по размерам и иметь лучшую изоляцию. Для обеспечения бесперебойного снабжения горячей водой обыч­но устанавливается вспомогательный подогреватель.

Вполне очевидно, что чем выше требования к СВН, тем бо­лее сложной и дорогостоящей становится эта система. С помо­щью больших по объему и лучше изолированных емкостей для хранения горячей воды можно приготавливать больше горячей воды, когда спрос на воду меньше и хранить ее даже в те дни, когда солнце сияет на небосводе. Это в свою очередь потребует либо увеличения длины шлангов, либо применения более эффек­тивного коллектора.

Другой аспект — особенность эксплуатации СВН — заклю­чается в участии пользователя. Например, простой и вполне на­дежный в работе солнечный водонагреватель состоит из мелкого корыта, наполненного водой и закрытого прозрачной крышкой (рис. 4.1). Однако этот нагреватель должен каждое утро на­полняться и опорожняться днем или ранним вечером. Кто-то должен наполнить корыто, накрыть его крышкой, если солнце скрыто облаками, оценить степень нагрева воды и слить го­рячую воду для дальнейшего использования. Этот простой на­греватель будет неприемлем для большинства людей в качестве альтернативы их обычным водонагревателям, потому что боль­шинство привыкло получать горячую воду не задумываясь и не тратя усилий больше, чем это нужно для поворота крана. Мож­но создать СВН, которые могут работать автоматически и будут так же надежны, как и традиционные устройства. Однако по своей конструкции они будут сильно отличаться от нагревателя в виде простого корыта. Между этими двумя крайними случая­ми существуют много самых разнообразных типов нагревателей с разной степенью участия пользователя, что является опреде­ляющим фактором при окончательном выборе системы.

Причинами, которые препятствуют широкому внедрению СВН в США, являлись дешевизна и доступность обычных видов топ­лива и уверенность в том, что горячая вода всегда будет идти

1 — покрытие и обшивка из полиэтилено­вой пленки

при повороте крана. Поэтому устройствами, которые и в даль­нейшем будут единственно приемлемыми, будут сложные и са­морегулируемые нагреватели. Интересно отметить, что во Фло­риде и в южной Калифорнии рынок СВН 10—15 лет назад сна­чала резко возрос, а затем стал сокращаться. Так продолжалось до недавнего времени, когда «энергетический кризис» вызвал к солнечной энергии новый интерес. В процессе эксплуатации солнечные водонагреватели требуют большего внимания при обслуживании и профилактике, чем традиционные устройства. Следует отметить, что первоначальная стоимость СВН до не­давнего времени не компенсировалась за относительно короткое время эксплуатации стоимостью сэкономленной энергии. Одна­ко в долгосрочном плане экономия оказывается существенной и уровень ее с увеличением стоимости энергии растет.

Прежде чем перейти к описанию современных систем СВН, способных полностью удовлетворить спрос на горячую воду, и рассмотреть специфику их использования в США, рассмотрим ряд более простых конструкций. Такие особенности вышеописан­ных устройств в виде шланга и корыта с водой, как простота, дешевизна, высокая степень участия пользователя, присущи не­которым другим типам подобных устройств.

Японцы создали солнечные водонагреватели в виде пласти­ковых мешков с водой, уложенных на ровную подставку (рис. 4.2). Некоторые из таких конструкций имеют снизу реф­лекторы для отражения дополнительной лучистой энергии на днище мешка. Вариантом такого рода нагревателя является простой деревянный ящик, внутренняя поверхность которого вы­ложена пластиком для удержания воды (рис. 4.3). Подогрева­тель может работать без прозрачного покрытия, но если оно есть, то это только повышает эффективность такого устройства. В этих нагревателях коллектор и аккумулятор объединены в одно целое.

Крупный недостаток нагревателей с плоским бассейном сос­тоит в том, что они могут использоваться только в горизонталь­ном положении. В тропиках, где солнце находится высоко над

головой круглый год, этот недостаток не имеет большого значе­ния, однако в более высоких широтах, где солнце не поднимает­ся так высоко над горизонтом, горизонтальный коллектор стано­вится менее эффективным частично потому, что большая часть энергии отражается самим коллектором. Зимой, когда солнце еще ниже над горизонтом, КПД коллектора уменьшается еще больше. Наиболее эффективным будет коллектор, который по­ворачивается вслед за солнцем.

Простые плоские металлические баки, наклоняемые для по­лучения максимально возможного количества солнечного тепла, используются в качестве водонагревателей в Японии, Алжире, Индии и других странах. Они представляют собой сваренные по кромке два куска металла, образующие контейнер толщиной от 100 до 200 мм. Такая конструкция имеет довольно высокую прочность и выдерживает напор воды в результате наклонного положения контейнера. Сторона контейнера, обращенная к солн­цу, окрашена в черный цвет; коллектор имеет стеклянное плос­кое покрытие и подобно нагревателям в виде плоского бассейна сочетает свойства коллектора и аккумулятора в одном устрой­стве.

Толщина слоя воды для обоих типов нагревателей с объеди­ненным коллектором-аккумулятором определяется опытным пу­тем. Чем мельче бак, тем быстрее прогревается весь объем, но тем меньшее количество воды будет приходиться на данную пло­щадь поверхности. Преимущество устройств с плоским бассей­ном состоит в том, что толщину слоя воды можно легко менять. Иногда емкость можно заполнить лишь наполовину, нагревая меньшее количество воды до более высокой температуры. Для каждого типа солнечного нагревателя размер контейнера будет определяться требуемым потребителем количеством горячей воды. Наилучшая толщина слоя воды выбирается в результате опыта. При этом площадь поверхности коллектора будет опре­деляться потребностью в воде

Интересный вариант таких баков с коллекторами-аккумуля­торами был разработан на о-вах Вест-Индия (рис. 4 4). Коллек­тор размещен в плоском металлическом контейнере, окрашен­ном в черный цвет и имеющем покрытие из листового стекла. С одной стороны контейнер имеет выступающий резервуар для воды. Дефлектор внутри контейнера обеспечивает термосифон­ную циркуляцию, в результате которой нагретая вода из коллек­торного отсека поступает в аккумуляторный отсек, а холодная вода со дна этого отсека поступает в коллектор. Аккумулятор­ный отсек нагревается в течение дня, а ночью теплоизолируется для уменьшения потерь тепла. Единственным крупным недостат­ком нагревателей объединенного типа (коллектор-аккумулятор) является их неспособность воспрепятствовать потерям тепла в облачную погоду или ночью (хотя вест-индская конструкция — большой шаг вперед к решению этой задачи). По этой причине

практически все промышленно выпускаемые системы СВН име­ют отдельный коллектор и отдельный бак-аккумулятор.

Одна из конструкций, применяемых в Израиле, Австралии, Японии и Соединенных Штатах (рис. 4.5), состоит из наклон­ного остекленного коллектора, отдельного, хорошо изолирован­ного водяного бака-аккумулятора и теплоизолированных труб, соединяющих эти два элемента. Днище бака-аккумулятора по крайней мере на 300 мм располагается выше верхней части кол­лектора. Такая компоновка исключает затраты дополнительной энергии для циркуляции воды в системе. Циркуляция происходит только вследствие естественной конвекции. При нагреве вода в коллекторе расширяется, становится менее плотной и подни­мается вверх по коллектору и через трубу поступает в верхнюю часть бака-аккумулятора. В результате более прохладная вода у днища бака вытесняется и перетекает по другой трубе в ниж­нюю часть коллектора. Эта вода в свою очередь нагревается и поднимается в бак. Пока светит солнце, вода будет постоянно циркулировать по этому контуру, все более нагреваясь.

Одной из возможных причин тепловых потерь может быть опрокидывание циркуляции в результате ночного охлаждения теплоносителя в коллекторе. Если бак приподнят над коллек­тором, то этот эффект сводится на нет, так как холодная вода просто скапливается в нижней точке системы (на дне коллекто­ра), в то время как теплая вода остается в баке. Этого также не случится, если бак и коллектор находятся на одном уровне. В одной из французских конструкций, выпускаемых серийно СВН применяется клапан, который пропускает поток воды

Рис, 4 5. Типич­ная конструкция промышленного солнечного водо­нагревателя гер­метичный вари­ант)

/ — горячая вода, 2 — вентиль сброса давления; 3 — слив горячей воды; 4 — запорный вентиль; 5 — вентиль подпит­ки: 6 — холодная во­да; 7 —подача Хо­лодной воды, 8 — сливной вентиль

Рис. 4.6. Негерме­тический солнеч­ный водонагрева­тель

1 — уровень воды;

2 — вентиляционная

труба: 3 — поплав­ковый клапан: 4 —

горячая вода; 5 — перекрывающий кла­пан; 6 — подача хо­лодной воды: 7 — пе­рекрывающий кла­пан для спуска во­ды из системы: 8 — холодная вода; 9 — обратный клапан: 10 — горяча я вода

Только ё одном направлении. Клапан закрывается, если Насту­пает опрокидывание циркуляции. Однако в большинстве систем СВН достаточно предусмотреть разность высот, чтобы избежать возможных проблем.

На практике нашли применение несколько конструктивных вариантов коллекторов. Все они в своей основе представляют собой теплоизолированный ящик с одним или более прозрачным покрытием, в котором находится зачерненная металлическая теплоприемная панель с каналами для циркуляции воды через систему. В одном варианте СВН используется длинная, изогну­тая по синусоиде трубка, по которой вода течет снизу вверх (рис. 4.5). Трубка коллектора припаяна к поверхности плоской металлической пластины, которая имеет большую площадь для поглощения солнечного тепла, чем трубка. В другом варианте коллектор имеет ряд параллельных труб, соединенных горизон­тальными трубами в нижней и верхней частях коллектора (рис. 4.6). В этой конструкции трубы также припаяны к плоской пластине.

Существует несколько конструктивных вариантов каждой из этих двух основных схем СВН. Путем устройства дефлекторов между двумя металлическими пластинами можно создать па­раллельный или синусоидальный путь для воды. Широко извес­тен метод изготовления теплоприемной плиты коллектора путем соединения двух металлических пластин с рельефно отформо­ванной сетью каналов между ними для прохода воды, получив­ший название метода «холодной прокатки». Этим методом можно получить сеть каналов для воды любого вида. Вариантом этой технологии является поглотитель типа трубы в листе, в котором параллельные каналы в виде труб составляют одно целое с ме­таллической пластиной и соединены между собой горизонталь­ными каналами вверху и внизу Оба эти метода дают возмож­ность получить высокоэффективные теплообменные поверхности. Другой известный метод предусматривает сварку или крепление заклепками волнистого металлического листа к плоской метал­лической пластине. При этом образуются каналы для потока воды. Трудность здесь заключается в изготовлении горизонталь­ной трубы, соединяющей все каналы коллектора.

Вне зависимости от конструктивных деталей основная зада­ча при создании коллектора состоит в том, чтобы обеспечить максимальную эффективность теплопоглощающей поверхности, использовать наилучшие средства для быстрого и равномерного переноса тепла к потоку воды, добиться устойчивого и равно­мерного распределения воды в коллекторе и, в конечном счете, иметь недорогую установку, которая должна быть герметичной и надежной. Это последнее требование является наиболее важ­ным, поскольку установка во время эксплуатации будет подвер­гаться экстремальным температурам, интенсивному тепловому расширению и сжатию, интенсивному воздействию солнечной радиации, коррозии, давлению и возможно замерзанию.

На изготовление теплоприемных пластин коллектора идут такие распространенные материалы, как медь и алюминий. Реже применяется оцинкованное железо Цены на все эти материалы, особенно на медь, в последние годы быстро растут Несмотря на то что стоимость является важным фактором при выборе материала, но еще более важной является технологичность из­готовления, которая зависит главным образом от производствен­ных возможностей. Паять медь сравнительно легко, но дорого Прессование холодной прокаткой требует точного и сложного оборудования, но при крупномасштабном производстве эта тех­нология достаточно дешева

Теплоприемник коллектора, как правило, имеет покрытие, повышающее его поглощательную способность Самым простым и дешевым (а во многих отношениях и лучшим) покрытием яв­ляется слой черной краски. Однако приближающимся к идеаль­ному будет одно из так называемых селективных покрытий, ко­торые более подробно рассматриваются в части V. Эти черные краски обладают высокой поглощательной способностью и низ­кой излучательной способностью (у обычной черной краски эти две характеристики примерно одинаковы], что сводит к мини­муму вторичное излучение энергии Некоторые установки, вы­пускаемые промышленностью ряда стран, имеют хорошие селективные черные покрытия К сожалению, технология нане­сения покрытий непроста. Применяют кислые ванны, электро­лиз, иногда даже вакуумное напыление. Существуют также дополнительные трудности, связанные с тем, что большинство промышленных покрытий легко повреждается водой. Это зна­чит, что теплоизолированный корпус коллектора с теплоприем­ником должен быть влаго - и воздухонепроницаемым, а это на­много усложняет технику крепления прозрачного покрытия. Со временем селективных черных красок станет больше и качество их будет выше по мере того, как проводимые исследования и усовершенствованные методы упростят технологию их произ­водства. А пока простая черная краска будет иметь преимуще­ства в простоте нанесения, долговечности и дешевизне, т е. в тех аспектах, которые компенсируют в большинстве случаев применения ее неселективность.

Изоляция корпуса, в котором находится теплоприемная па­нель, не должна допускать больших потерь энергии, поступаю­щей в установку Эти потери обусловлены отражением и погло­щением верхнего прозрачного покрытия; отражением, конвек­цией и вторичным излучением на поверхности теплоприемника; переносом тепла за счет теплопроводности от обратной стороны теплоприемной пластины. Первый вид потерь трудно предотвра­тить, хотя ведутся работы по созданию стекла и пластмасс с вы­соким коэффициентом пропускания и низким — отражения.

Второй вид потерь можно существенно снизить при ПОМОЩИ прозрачного покрытия на теплоприемнике. Такое покрытие бо­лее эффективно в предупреждении потерь тепла. Большинство покрытий выполнено из стекла или пластмассы. Все они обес­печивают парниковый эффект, пропуская внутрь коротковолно­вое излучение и резко уменьшая выходящее наружу длинновол­новое вторичное тепловое излучение. Конвективные потери су­щественно снижаются в результате создания небольшого воз­душного промежутка и устранения движения наружного воз­духа вдоль поверхности теплоприемника. В холодном климате, где потерн вследствие конвекции и теплопроводности через по­крытие возрастают из-за большей разности температур тепло­приемника и наружного воздуха, часто применяют два, а иногда и три слоя стекла или пластмассы. Это уменьшает количество поступающей на теплоприемник солнечной энергии, однако такого рода потери компенсируются повышением изолирующей способности и дополнительным воздушным промежутком.

Для прозрачного покрытия не существует единственно воз­можного материала. Наиболее распространенным материалом является стекло, которое легко доступно, долговечно, имеет хо­рошую пропускательную способность. Среди недостатков стек­ла нужно отметить высокую стоимость, повышенный вес, хруп­кость и трудности при остеклении. Применяется также несколько видов пластмасс. С учетом их недостатков разрабатывается ряд новых пластических материалов. Двумя основными недостатка­ми таких материалов являются разрушение пластмасс под дей­ствием ультрафиолетовых лучей (часто в течение нескольких лет) и их неспособность противостоять высоким температурам. Даже если пластмасса дешева, затраты труда и неудобства, связанные с заменой быстро пришедшего в негодность покры­тия, весьма существенны. Более долговечные пластмассы, такие, как плексиглас и «лексан», довольно дороги. Полиэфирные ли­сты, армированные стекловолокном, дешевле, но их срок службы ограничивается низким сопротивлением тепловому воздействию. Основными преимуществами пластмасс являются легкий вес, хорошая обрабатываемость, сравнительная простота обращения (например, натягивания пленки), прочность и в перспективе низ­кая стоимость.

Третьей причиной тепловых потерь является теплопровод­ность материала с тыльной стороны тепловоспринимающей пла­стины. Эти потери можно уменьшить при помощи обычной изо­ляции, однако теплоприемная пластина и изоляция не должны находиться в непосредственном контакте. Когда светит солнце и теплоноситель в коллекторе не движется, так как коллектор не работает, температура теплоприемной пластины может оказать­ся настолько высокой (120—200°С), что возникает опасность повреждения изоляции. При установке коллектора вплотную к наклонной крыше теплоизоляция выполняет двойную функцию,

являясь изоляцией по отношению как к коллектору, так и к зда­нию. Может иметь место и такой случай, когда поток тепла вследствие теплопроводности теплоприемной пластины поступа­ет в жилое помещение, где это тепло является полезным.

Трубы, ведущие из коллектора в бак-аккумулятор, должны иметь хорошую изоляцию и создавать минимальные помехи цир­куляции. В большинстве выпускаемых промышленностью уста­новок бак размещен рядом с коллектором для того, чтобы свес­ти к минимуму длину труб и соединений и иметь плавные изги­бы. Изоляция вокруг труб помогает сохранить поглощенное кол­лектором тепло и поддерживать температурный напор между поступающей и отводимой водой с тем, чтобы не нарушать тер­мосифонный эффект. Инженерный расчет и подбор размеров труб для правильной работы системы довольно сложен и выхо­дит за рамки настоящего обсуждения. В конечном итоге система должна включать трубы достаточно большого диаметра при плавных сгибах и коротких прямых участках. Примером такого решения является установка с коллектором площадью 4 м2, в ко­торой расстояние по высоте от нижней части коллектора до впускного отверстия для горячей воды в верхней части бака со­ставляет 2,75 м и длина труб не превышает 5 м. Естественная конвекция в установке обеспечивается при использовании труб с наружным диаметром 25 мм, что дает возможность получить температурный напор от 52 до 58° С. При более низких темпе­ратурах величина температурного напора, необходимая для создания той же циркуляции, возрастает на 8° в диапазоне тем­ператур 38—45° С или на 19° в диапазоне 5—24° С. Это значит, что утром запуск установки происходит медленнее, чем можно. было ожидать, но это не столь важно потому, что большая часть полезного накопления тепла имеет место в середине дня. Даже при очень малом диаметре трубы естественная циркуляция все равно будет иметь место, но это потребует большей разности температур на коллекторе, а это в свою очередь приводит к сни­жению КПД, чего следует избегать.

Бак-аккумулятор обычно достаточно велик, чтобы вмещать двухдневный запас горячей воды. Преимущество большей ем­кости аккумулятора (большего по размерам бака) может быть нейтрализовано увеличением потерь тепла через большую пло­щадь поверхности и из-за более длительного периода хранения тепла. Аргумент здесь экономического плана: больший по раз­меру бак будет хранить тепло более длительные пасмурные пе­риоды, но стоимость его будет выше; меньший бак будет дешев­ле, однако потребуется дополнительное тепло, чтобы восполнить недостаточность солнечного тепла, а это может повлечь за собой расход невозобновляемого топлива. Поэтому почти всегда для СВН требуется какой-либо вспомогательный источник тепла, поскольку система, способная хранить тепло очень длительные облачные периоды, будет иметь настолько большой запас для

средних условий, что оказывается экономически неоправданной. Поэтому необходим компромисс между более частым использо­ванием вспомогательной установки и более крупной и дорого­стоящей системой.

Поскольку для циркуляции имеют значение величины темпе­ратурных градиентов между разными уровнями высот термо­сифонной системы, то существенно и местоположение ввода в бак труб. Подводящая труба к низу коллектора должна заби­рать воду из самой холодной, нижней части бака. Нагретая вода из коллектора должна поступать в самую теплую часть бака (верхнюю часть). Выше впускного отверстия для отбора горя­чей воды должен быть оставлен объем для накопления полусу­точного запаса самой горячей воды, так как вода, поступающая в данный момент из коллектора, не всегда будет достаточно го­рячей (облачный день, раннее утро) и в этом случае будет охлаждать уже имеющуюся в баке горячую воду. Если вспомо­гательным источником тепла является погружаемый в воду электрический нагреватель (что общепринято для промышлен­ных установок), то он должен устанавливаться ниже суточного объема воды в аккумуляторе. Это дает возможность подогре­вать то количество воды, которое необходимо, но не больше (вспомогательные нагреватели, сжигающие топливо, рассматри­ваются ниже). Выпускное отверстие для горячей воды к потре­бителю должно находиться в верхней части бака, а патрубок для заполнения холодной водой — в нижней части. Толщи­на теплоизоляции должна быть экономически рациональной: слой, эквивалентный по тепловому сопротивлению 100-мм слою стекловолокнистой теплоизоляции, не будет избыточным, он мо­жет быть даже толще, если бак находится вне помещения при минусовой температуре. Преимущество установки его внутри по­мещения, помимо снижения требований к изоляции, заключается в том, что какое бы количество тепла ни терялось, все оно посту­пит в жилое помещение, а не в окружающую внешнюю среду.

Определение размера коллектора, подобно многим другим решениям при конструировании солнечного нагревателя, прово­дится как с экономической, так и с инженерной точки зрения. Как и в случае определения размера бака-аккумулятора, необ­ходим компромисс между более высокими первоначальными капитальными затратами и более высокими затратами на вспо­могательное оборудование. Коллектор, превышающий по разме­рам установку, обеспечивающую минимальный ежедневный расход горячей воды, будет иметь меньшую окупаемость в смы­сле доллара, сэкономленного на обычном отоплении, против доллара капитальных затрат на солнечное оборудование. Более крупная система способна накопить тепло для использования в более длительные периоды без солнца, но в то же время она не может использоваться на полную мощность в течение обыч­ных солнечных периодов.

Определение размеров коллектора может потребовать до - . вольно сложных инженерных расчетов, но обычно при благопри­ятных условиях хороший коллектор будет нагревать от 40 до 80 л воды на 1 м2 площади коллектора в сутки. Основываясь на • этих цифрах, можно легко определить предварительные размеры коллектора исходя из суточной потребности. Например, приняв коллектор средней эффективности, достаточно удачно располо­женный, можно задать себе вопрос, каковы должны быть его размеры из расчета обслуживания семьи из четырех человек, расходующих 365 л горячей воды в сутки? При расходе, напри­мер, 73 л на 1 м2 площади коллектора в сутки им потребуется 365:73= м2, или коллектор размером примерно 2,1X2,5 м.

В процессе проектирования, когда потребуются более точные прогнозы эксплуатационных характеристик, придется, конечно, провести более сложные инженерные расчеты.

Местоположение, наклон коллектора и его взаимосвязь с ба­ком являются важными факторами, которые в большой степени зависят от архитектурно-планировочного решения здания. Кол­лектор должен быть направлен строго на юг и наклонен к гори­зонтали под углом, равным широте места. Такая ориентация тео­ретически оптимальна для круглогодичной работы. В реальных условиях ориентация коллектора для данной местности зависит от многих факторов. Например, если здание имеет крышу, на которой можно разместить коллектор, то, вероятно, это будет намного дешевле, чем возводить для этого отдельную конструк­цию. Если азимут крыши находится в пределах 15° от направ­ления строго на юг и если наклон составляет ±10° от угла ши­роты, то уменьшение КПД от его идеальной величины не будет превышать 10—15%- В этом случае можно несколько увеличить площадь коллектора. Для широт, близких к экватору, наклон и ориентация имеют меньшее значение.

В случае, если коллектор установлен на крыше, условие, что бак в термосифонной системе должен находиться выше коллек­тора, часто подразумевает установку бака-аккумулятора на уровне конька крыши, а иногда даже в ложной дымовой трубе, построенной на крыше. Конечно, конструкция крыши должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать такую нагрузку. Альтернативой этому случаю будет возведение опор для коллек­тора на земле, а рядом с ним или внутри здания установка при­поднятого над уровнем размещения коллектора бака. Конструк­тивные требования к термосифонным коллекторам весьма жест­кие, поэтому варианты конструкции и монтажа ограничены. По этой причине другие способы организации циркуляции воды применяются там, где указанные выше требования к установке нельзя легко удовлетворить. _

Система труб, имеющаяся в любом водонагревателе, для кон­структора представляет некоторые проблемы, большинство из которых типично для всех водопроводных работ. Главной из них

является выбор между герметичной и негерметичной системами. В герметичной системе подача горячей воды может осуществ­ляться выше уровня бака-аккумулятора, поскольку давление в системе поддерживается давлением в водопроводной магист­рали или колодезным насосом (см. рис. 4.5). Это создает значи­тельные напряжения в водяных каналах коллектора, прочность которого должна быть соответствующим образом рассчитана. В негерметичных системах горячая вода подается самотеком потребителю на уровень ниже бака-аккумулятора (см. рис. 4.6). Если требуется горячая вода под давлением (например, для ду­ша и других целей), то перепад высот должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить необходимый напор; каждый метр высоты между баком и местом потребления воды создает дав­ление 0,1 кгс/см2. Если перепад высот создать невозможно, то единственным решением будет установка отдельного насоса или напорного бака. Напряжения в каналах коллектора ненапорной системы меньше, что позволяет удешевить и облегчить его из­готовление.

Следует отметить, что практически все выпускаемые про­мышленностью термосифонные водонагреватели пригодны толь­ко для теплого климата, в котором не бывает отрицательных температур. Однако опасность замерзания и разрыва труб и ка­налов в коллекторе может быть вызвана радиационным охлаж­дением. Медные трубы в коллекторах замерзают и разрываются в ясные, безветренные ночи, когда температура воздуха не опус­кается ниже 5° С. При этом потеря тепла за счет излучения пре­вышает поступление тепла из окружающего воздуха, поэтому температура воды опускается ниже точки замерзания.

Если произошел разрыв труб, то отремонтировать поглоти­тель с припаянными трубами будет трудно; это почти невозмож­но произвести на теплоприемной пластине, изготовленной мето­дом холодной прокатки («Ролл-Бонд»), Пластмассовые трубы устраняют проблему борьбы с разрушением из-за замерзания благодаря своей эластичности, но пластмасса непригодна в дру­гих отношениях. Большинство пластмасс имеет плохие тепло­проводящие свойства. Пластмасса часто теряет прочность при нагреве и подвержена разложению под действием ультрафиоле­товых лучей. Тем не менее следует отметить, что сейчас разра­батываются пластмассы для коллекторов, обладающие высокой прочностью при длительном воздействии частых циклов замора­живания и оттаивания.

Нагреватель (СВН) в холодном климате должен иметь на­дежные предохранительные приспособления против замерзания, а это усложняет его конструкцию по сравнению с обычной тер­мосифонной системой, предназначенной для теплой погоды. Есть три основных способа защиты коллектора: 1) съемное изоляци­онное покрытие (рис. 4.8); 2) устройство для слива воды (см. рис. 4.5, 4.6) или 3) применение антифриза вместо воды

(рис. 4.7). Применение съемной изоляции на СВН намного удоб­нее по сравнению с случаем ее применения при пассивном обогреве зданий, так как СВН сравнительно невелики. Но проблемы все же остаются. Перемещение изоляционного покры­тия должно быть в некотором смысле автоматическим (даже ес­ли это будет простой датчик, сигнализирующий об опасности замерзания), поскольку людям свойственна забывчивость, а по­следствия замерзания весьма серьезны. Механизм перемещения должен иметь надежную конструкцию, так как вся система бу­дет постоянно находиться под открытым небом. Все это может стоить немалых денег. Более полно о съемной изоляции говорит­ся в части III «Пассивные системы использования солнечной энергии». Всякий раз пользоваться сливом воды в термосифон­ных системах довольно сложно, поскольку их работа осуществ­ляется в условиях замкнутого, заполненного жидкостью конту­ра. Для большинства более простых систем проблема замерза­ния полностью исключается, так как они заполняются жид­костью только при нагреве (и в них обычно отсутствуют неболь­шие по диаметру водопроводящие каналы, которые могут замерзнуть и разорваться). Проблема слива воды в принципе одна и та же как для герметичных, так и для иегерметичных термосифонных систем. Бак должен быть отсоединен от коллек­тора, а вентиляционное отверстие вверху и сливное отверстие внизу коллектора должны быть открыты для слива. Конструк­ция водопроводящих каналов коллектора должна обеспечивать их полное осушение без водяных карманов, которые могут вы­звать разрушения. Для заполнения коллектора сливное отвер­стие должно быть закрыто, затем заливается вода, закрывается вентиляционное отверстие и после того, как в системе не оста-

Рис 4.8. Солнечный водонагреватель со съемной изоляцией / — зачерненные цилиндры, заполненные водой; 2 — отражающее и изолирующее покрытие, 3 — вентиль; 4 — выпуск горячей воды, 5 — впуск холодной воды

Рис 4 9 Система солнечного предварительного подогрева воды для бы­товых нужд

/ — солнечный коллектор; 2 — горячий теплоноситель (20—50° С), 3 — теплая или горячая вода (10—50° С); 4 — горячая вода (50—60° С), 5 — бак с горячей водой 6 — источник водоснабжения (8—12° С), 7 — охлажденный теплоноситель (10— 35° С); 8 — бак с водой, 9 — теплообменник, угол наклона коллектора широта ±15°, теплоноситель в коллекторе незамерзающий ратвор, например антифриз или гликоль, циркулирует, когда температура аккумулятора не менее чем на 3° ниже температуры коллектора, со скоростью около 30 кг/(м2*ч); водяной аккумулятор теплый или горячий теплоноситель из коллектора нагревает посту­пающую холодную воду, нагретая вода циркулирует через обычный водонагре­ватель <ц при необходимости дополнительно нагревается

лось воздуха, наконец, подключается бак. Этот процесс, хотя и несложный для выполнения, трудно автоматизировать про­стыми средствами. Ручные операции требуют значительного вре­мени (особенно при переменной погоде), а автоматизация может повлечь увеличение капитальных затрат. Ранее конструкторы сталкивались с проблемами «запаривания» из-за оставшихся воздушных мешков в процессе заполнения. Иногда при запол­нении очень горячего коллектора образуется водяной пар, кото­рый усугубляет проблему воздушных пробок.

Наиболее распространенным средством защиты против за­мерзания является применение раствора антифриза в воде вме­сто чистой воды. Во избежание смешивания раствора антифри­за с горячей водой для бытовых нужд теплообмен между нагре­тым солнцем раствором и водой в баке-аккумуляторе осуществ­ляется обычно с помощью трубчатого змеевика, погруженного в бак (см. рис. 4.7). Змеевик своими концами соединен с пита­ющей и отводной трубками коллектора, при этом термосифонная циркуляция теплоносителя происходит по обычной схеме. С уве­личением размеров системы и капитальных затрат такой тепло­обменник становится менее эффективным, однако он сравни­тельно надежен в работе. Альтернативой змеевику является бак небольших размеров, помещенный в большой бак и имеющий необходимую поверхность теплообмена.

Четвертый и наименее распространенный метод предупреж­дения замерзания заключается в подводе тепла к коллектору извне, когда его температура опускается близко к точке замер­зания. Это обычно осуществляется двумя способами: посредст­вом циркуляции теплой жидкости из бака-аккумулятора или путем наложения электротермических накладок на теплоприем­ную пластину коллектора.

Существует много других систем для СВН, которые были созданы с учетом конкретных ситуаций. Примером этому явля­ется электрический погружной нагреватель как вспомогатель­ный источник тепла, который значительно проще объединить со стандартной термосифонной системой, чем устройство, сжигаю­щее топливо. Один из путей решения такого рода задачи заклю­чается в использовании бака-аккумулятора в системе СВН в ка­честве подогревателя воды, поступающей в обычный водонагре­ватель (рис. 4.9). В этой системе холодная вода протекает через бак-аккумулятор СВН на пути в обычный нагреватель. Тепло­обменник (погруженный змеевик или небольшой бак) с раст­вором антифриза подогревает воду по мерс ее движения через бак. Когда система СВН нагреется полностью, отпадает необ­ходимость в повышении температуры при помощи обычного нагревателя. Если температуру необходимо поднять, то это осуществляется при помощи термостата, соединенного с обыч­ным нагревателем; благодаря этому упрощается автоматизация управления.

■ Ограничение, накладываемое термосифонным устройством на архитектурный проект, можно снять применением насосов. Если солнечную установку невозможно разместить из-за длин­ных труб или отсутствия места для бака, то обычно устанавли­вают насосный агрегат. Стоимость насоса, средств управления и дополнительной энергии для работы насоса в конечном счете являются дополнительными издержками, но при этом достига­ется свобода размещения системы. К примеру, насос дает воз­можность установить коллектор на крыше, бак-аккумулятор в подвале, а водопроводный кран на первом этаже. Коллектор и его трубы образуют циркуляционный контур со своим собст­венным насосом, соединенным с водонагревателем. Если это замкнутый контур (включающий теплообменник в баке), то его можно заполнить раствором антифриза, чтобы предупредить замерзание.

Другой вариант — это коллектор Томасона, соединенный с небольшим насосом. Вместо прохождения по замкнутым ка­налам вода в коллекторе свободно стекает вниз по поверхно­сти волнистого металлического листа. Внизу она собирается в желоб и самотеком поступает в бак-аккумулятор. Поскольку система не является герметичной, вода к потребителю также поступает самотеком, если не накачивается в водонапорный бак. Преимущество коллектора с открытым стенанием воды заклю­чается в том, что вода сливается в бак-аккумулятор просто в ре­зультате отключения насоса. Таким образом, устраняются проб­лемы замерзания. Вариантом использования этого принципа является коллектор Каваи, разработанный в Японии и состоя­щий из слоя ткани или волокнистого материала, который поме­щен между двумя металлическими пластинами. Вода медленно просачивается через коллектор, сливаясь снизу.

Насосы применимы и для прямоточных нагревателей. Кол­лектор, представляющий собой систему из зачерненных желез­ных труб, лежащих на зачерненной крыше, является хорошо продуманным вариантом садового шланга, нагреваемого солн­цем. При ярком солнце из трубы непрерывно вытекает горячая вода, поступающая в бак-аккумулятор. Если источником водо­снабжения является городская водопроводная сеть, то насос не нужен. Вариант такой системы успешно применяется для подо­грева воды в плавательных бассейнах. Вода, подаваемая насо­сом через фильтр бассейна, отводится через систему труб на крышу, где она подогревается прежде, чем поступить в бассейн. (Благодаря низким рабочим температурам коллекторов для подогрева воды в плавательных бассейнах прозрачные покрытия часто не требуются).

Есть еще один класс нагревателей, находящихся между, сис­темами СВН и солнечными пассивными обогревателями зданий. Эти нагреватели, по сути дела, являются подогревателями для обычных водонагревателей, которые используют теплоаккуму­

лирующее устройство здания (тепло от большого коллектора здания) в качестве источника тепла. В большинстве воздушных или водяных систем простой теплообменник передает тепло от аккумулятора воде на ее пути в обычный водонагреватель. Там, если нужно, температура повышается до требуемых пределов. В более сложных системах теплообменник заменяется на не­большой тепловой насос, который концентрирует тепло от акку­мулятора в меньший по размеру бак с водой, повышая ее тем­пературу до нужного уровня. Все эти косвенные системы несо­вершенны из-за увеличения числа механических компонентов и малой эффективности теплообменников, но в плане всего энер­гетического баланса здания они имеют смысл. Большинство вы­шеупомянутых проблем, связанных с коллекторами и аккуму­ляторами, решается тепловыми системами более крупных зда­ний, где они так или иначе должны быть решены. Все сообра­жения в отношении затрат и КПД применяются ко всей системе в целом, а дополнительные расходы на подсистему СВН легче оправдываются в виде долгосрочной экономии, несмотря на воз­можно более низкий КПД.

В библиографии есть отдельный раздел под названием «При­готовление горячей воды при помощи солнечной энергии для до­машних нужд и теплой воды для плавательных бассейнов». Ин­формацию по техническим аспектам нагрева воды при помощи солнечной энергии см. в части V, а также в книге Фрэнсиса де Уинтера «Как сконструировать и построить солнечный водона­греватель для плавательных бассейнов».