Энергия

СОЛНЕЧНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Хотя основной упор в данной книге делается на отопление, некоторого обсуждения заслуживает и солнечное охлаждение. Охлаждение зданий занимает лишь небольшую часть в нашем национальном потреблении энергии. Действительно, энергия, расходуемая на кондиционирование воздуха в жилых зданиях, составляет около одной десятой от энергии, идущей на отопле­ние помещений. Тем не менее спрос на энергию охлаждения возрастает гораздо более высокими темпами, чем на отопление. Потребность в энергии на охлаждение также до некоторой сте­пени носит региональный характер; так, например, в некоторых районах, скажем на юго-западе страны, на охлаждение идет больше энергии, чем на отопление.

Солнечное охлаждение имеет некоторые свойственные ему преимущества перед солнечным отоплением. Потребность в ох­лаждении больше совпадает по фазе с периодом поступления солнечной радиации в течение как года, так и суток. Поскольку уровень солнечной радиации является определяющим фактором, влияющим на величину температуры наружного воздуха, очевид­но, что самое теплое время года обычно наступает в период наи­большей интенсивности солнечной радиации. Аналогично в мас­штабе суток часы наступления наиболее высоких температур близко соответствуют времени, когда имеет место самый высо­кий уровень солнечной радиации.

Другие факторы, такие, как ветер и влажность (и внутренняя тепловая нагрузка здания), также оказывают влияние на требо­вания к охлаждению и могут изменить корреляцию между интенсивностью солнечной радиации и потребностью в охлажде­нии. Обычно системы солнечного охлаждения рассчитываются с допущением, что пиковые тепловые нагрузки при охлаждении необязательно соответствуют пиковой интенсивности солнечной радиации.

Летний пиковый спрос на электроэнергию часто довольно близко соответствует пиковой интенсивности солнечной радиа­ции, которая в свою очередь вызывает пиковую потребность в охлаждении; таким образом, можно резко снизить пиковую элек­троэнергетическую нагрузку при широком использовании сол­нечного охлаждения. Несмотря на то что энергия, идущая на летнее охлаждение жилых и торговых зданий, составляет менее 3% общего годового потребления энергии в стране, этот показа­тель равен уже 42% общего летнего потребления энергии.

Двумя основными методами понижения температуры возду­ха при охлаждении помещений являются искусственное охлаж­дение (по сути дела извлечение тепловой энергии из воздуха) и охлаждение за счет испарения (испарение влаги в воздух). Так­же применяется осушение воздуха. Охлаждение испарением происходит при испарении воды; например, испарение пота с кожи является одним из механизмов поддержания прохлады тела. Охлаждение зданий испарением наиболее эффективно в сухом климате, например в юго-западной части страны.

Во влажном климате целесообразно применять метод охлаж­дения, состоящий в удалении влаги из воздуха, т. е. осушении, обычно называемый абсорбционным осушением; этот метод ис­пользует гигроскопические материалы-осушители для удаления большей части влаги из воздуха, с которым они соприкасаются. В качестве осушителей используются такие твердые вещества, как силикагель, и жидкости, такие, как триэтиленгликоль. Чтобы повторно использовать тот же осушитель, для выпаривания по­глощенной жидкости необходимо его нагреть. Проводятся иссле­дования применения солнечной энергии как источника тепла для осуществления этого регенеративного процесса (осушения). Если осушающее и охлаждающее действие недостаточно, то тем­пературу осушаемого воздуха можно частично понизить в испа­рительном воздухоохладителе. На рис. 5.100 представлена схема использования солнечной энергии для абсорбционного осушения.

Наиболее распространенной является компрессионно-испа­рительная система охлаждения с электроприводом. Ее можно применять для кондиционирования воздуха, поступающего в систему почти в любом состоянии; в большинстве районов стра­ны этот метод охлаждения может обеспечить более высокий уровень комфорта, чем другие системы. Многие встроенные в ог­раждающие конструкции кондиционеры являются малогабарит­ными вариантами систем этого типа. Проводятся исследования в области использования детандера, работающего по циклу Ренкина на солнечной энергии и непосредственно соединенного с валом компрессора. Концентрирующие коллекторы нашли при­менение для получения температур пара до 320° С для приведе­ния в действие паровой турбины, которая в свою очередь враща­ет вал обычного компрессора компрессионной холодильной уста­новки.

Другой вид испарительно-компрессионной системы может работать без электроэнергии и используется в газовом абсорб­ционном цикле. Этот цикл применяется в газовых холодильни­ках и кондиционерах; он подробно описывается в разделе «Прин­ципы абсорбционного охлаждения».

При эксплуатации абсорбционных систем для охлаждения помещений, как правило, наименьший уровень температуры не должен быть ниже 85° С. Даже эта кажущаяся высокой темпе­ратура на самом деле намного ниже обычно требуемых по стан­дарту температур 120—150° С. На рис. 5.101 схематически пока­зана абсорбционная система, в которой солнечная энергия как источник тепла используется для процесса охлаждения. Солнеч­ные коллекторы должны работать при температурах, на 8—Н°С превышающих рабочую температуру абсорбционной установки. Естественно, что при таких высоких температурах КПД коллек­тора резко падает. Широкие технические разработки сейчас осу­ществляются в области холодильного оборудования, которое может работать при более низких температурах, а также в об-

ласти солнечных коллекторов, имеющих достаточно высокий КПД при высоких рабочих температурах.

Доктор Джордж Лёф показал, что если воду при тем­пературе около 100° С подавать насосом из коллектора в ге­нератор, то она будет переносить тепло при 82° С и возвращать его в коллектор для подогрева при температуре около 93° С. При дневной температуре окружающего воздуха 32° С 1 м2 коллек­тора может обеспечить не менее 1000 кДж при среднем КПД коллектора 40%. Полученная охлаждающая способность будет составлять около 5100 кДж. Коллектор площадью 56 м2 может обеспечить суточную теплопроизводительность для охлаждаю­щей системы на уровне 3165 кДж/ч, что эквивалентно произво­дительности при охлаждении на уровне 2,5 т.

Из-за необходимости иметь высокие рабочие характеристики солнечные коллекторы, предназначенные для таких охлаждаю­щих систем, несомненно будут дороже коллекторов, которые применяются для зимнего отопления. Однако если один и тот же коллектор можно использовать для обеих целей, то его более высокая стоимость окупится в итоге за меньший период времени.

Коллекторы, предназначенные для летнего охлаждения, мо­гут быть концентрирующими и плоскими. Концентрирующие коллекторы имеют ограничения, упомянутые выше, но способ­ны обеспечить более высокую температуру при достаточно высо­
ком КПД в соответствующих климатических условиях, т. е. при высоком проценте прямой солнечной радиации

Плоские коллекторы с селективным покрытием должны иметь от одного до трех и более прозрачных верхних покрытий. Если используется стекло, то оно должно иметь высокую пропуска - тельную и низкую отражательную способность. Для большей части абсорбционного оборудования чаще всего требуются жид­костные, а не воздушные коллекторы. Маловероятно, что будут разрабатываться коллекторы воздушного типа для применения в сочетании с абсорбционным охлаждающим оборудованием.

Коллекторы, функционирующие только летом, должны иметь намного более пологий угол наклона, чем коллекторы, работаю­щие только зимой или же круглогодично. Меньший угол наклона, по-видимому, более совместим с обычными скатными крышами и даже может быть приспособлен к плоским крышам.

Ночное излучение в атмосферу, рассматриваемое в предыду­щем разделе и ниже, представляет собой процесс охлаждения, который происходит, когда предметы излучают свое тепло в более прохладную ночную атмосферу. Районы с сухим климатом, особенно с теплыми днями и холодными ночами, являются наи­более подходящими для этого метода охлаждения благодаря низким атмосферным температурам и прозрачности атмосферы. Воздух /или воду молено охлаждать по мере их циркуляции вдоль поверхности, открытой для ночной атмосферы.

Один из первых примеров ночного охлаждения был осущест­влен Доновэн и Блиссом на «Дезерт Грасслэнд Стейшн» в Ама - до, шт. Аризона, в 1954 г. На этом объекте использовали черную сетчатую ткань, натянутую поверх отверстия в грунте. Прохлад­ный ночной воздух становился еще холоднее при засасывании через ткань, излучая тепло в ночную атмосферу, после того как продувался через контейнер с камнями, служившими также ак­кумулятором солнечного тепла для работы системы зимой.

Доктор Гарри Томасон применил тот же принцип в своем первом солнечном доме в Вашингтоне в 1959 г. Вода из зимнего бака — аккумулятора тепла подавалась насосом к коньку обра­щенной на север крыши и охлаждалась излучением в ночную атмосферу при стекании по поверхности зачерненного гонта. Прохлада аккумулировалась в большом баке с водой с целью использования в теплые дни.

Дом Гарольда Хзя в Атаскадеро, шт. Калифорния, охлаждал­ся без помощи движущихся частей, за исключением задвижных горизонтальных изолирующих ставней, которые открывались ночью, давая возможность охлаждаться наполненным водой мешкам, излучавшим тепло в атмосферу. Днем ставни задвига­лись на прежнее место, удерживая прохладу и не пропуская жару внутрь.

Солнечное охлаждение можно также осуществить путем пра­вильного использования аккумулятора, предназначенного для зимнего солнечного отопления. В некоторых случаях прохлад­ный наружный ночной воздух можно использовать для охлажде­ния теплоаккумулятора для применения в течение дня. Еще больше его можно охладить при помощи небольшого холодиль­ного компрессора. Если компрессор будет работать только ночью во внепиковый период, то его мощность может быть в два раза меньше мощности компрессора, работающего в пиковый период охлаждения. Размеры компрессора могут быть еще больше уменьшены, если он будет работать постоянно, охлаждая акку­мулятор солнечного тепла, даже когда охлаждение помещения не требуется. Маловероятно, что оба эти метода значительно уменьшат эксплуатационные расходы, однако они могут снизить первоначальные затраты.

Системы двойного аккумулирования можно применять так­же и в сочетании с тепловыми насосами дня летнего охлаждения. Тепловые насосы могут переносить тепло из одного аккумуля­тора в другой, охлаждая первый и нагревая второй. Прохлада используется в здании, а тепло из второго аккумулятора сбрасы­вается в окружающую среду либо с помощью механических средств, либо естественным путем, например за счет ночной ра­диации.