Энергия

СТЕПЕНЬ ЧЕРНОТЫ И ПОГЛОЩАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

Тепло распространяется или переносится от одной точки материала к дру­гой или между телами тремя способами. Два из них — теплопроводность и конвекция — используются всеми традиционными системами отопления. Тре­тий способ — радиация — в равной степени важен для успешною применения солнечной оперши для отопления п охлаждения помещении

Тепло єсть опері ия и может принимать форму длинноволновой электро­магнитной радиации. Любая радиация распространяется по прямой с одной и той же скоростью (скоростью света, 300 000 км/с), но имеет разные длины волн. Количество энергии, переданной посредством радиации, обратно пропор­ционально ее длине волны (т. е. чем короче длина волны, тем выше энергосо­держание) Лучистая теплота представляет собой длинноволновую низкоэнер­гетическую форму радиации. При падении радиации на какое-либо тело она отражается, пропускается или поглощается этим телом. Каждый материал отражает, пропускает и поглощает падающую радиацию по-разному в зависи­мости от его абсолютной температуры, физических и химических характери­стик и длины волны падающей радиации. Например, стекло пропускает боль­шую часть падающего на него видимого света, но очень мало инфракрасного излучения.

Каждый материал может иметь численные параметры, характеризующие отражательную, пропуска! ельную и поглощательную способность этого мате­риала в определенном диапазоне температур и для определенного участка электромагнитного спектра. Сумма коэффициентов поглощения, отражения и пропускания материала равна 1, что указывает на 100%-ный учет падающей радиации. Для большинства светонепроницаемых твердых материалов про­пускаемая энергия фактически равна нулю, так что сумма коэффициентов поглощения и отражения считается равной 1.

Лучистая энергия после поглощения превращается в тепло. Это тепло мо­жет быть передано дальше, излучено обратно или излучено в виде длинно­волновой радиации из материала. Коэффициент излучения є материала яв­ляется численным показателем способности этого материала испускать длин­новолновое излучение. Коэффициент излучения представляет собой отноше­ние излучаемой мощности материала к излучаемой мощности теоретического абсолютно черного тела (т е. для абсолютно черного тела 6=1, для черной краски є=0,95; для селективного черного покрытия є=0,05) . Эти данные имеют большое значение, так как указывают на относительные рабочие ха­рактеристики разных материалов.

Например, кирпичная кладка и бетон, которые имеют коэффициенты излучения около 0,9, являются лучшими радиаторами тепла, чем латунь или алюминий, которые в лучшем случае имеют коэффициент излучения 0,22. Асфальтовое покрытие, коэффициент поглощения которою более 0,9, преобра­зует намного больше падающей солнечной радиации в тепло, чем песок (коэффициент поглощения между 0,6 и 0,75); это подтвердит любой, кому пришлось проходить босиком от автостоянки до пляжа.

Отношение между коэффициентом поглощения коротковолновой радиации и коэффициентом излучения длинноволновой радиации каким-либо материа­лом имеет особое значение для проектировщика солнечного коллектора. Ма­териалы с высокими отношениями, называемые «селективные черные краски», можно использовать для покрытия поверхностей пластин коллекторов, так что поглощаться будет максимальное количество энергии, а теряться в ре­зультате излучения или вторичного излучения будет минимальное количество.

В нижеследующих таблицах приводятся коэффициенты поглощения и излучения различных материалов За исключением особо помеченных, данные относятся к коротковолновому поглощению и длинноволновому излучению Температура материала принимается в пределах от —17,8 до 100° С. Материа­лы даны по пяти категориям, в каждой из которых содержатся материалы со сходными характеристиками

Материалы класса II: отношение коэффициента поглощения к коэффициенту излучения (a/є) в пределах между 0,5 и 0,9

Материалы класса IV: отношение коэффициента поглощения к коэффициенту излучения (а/е) более 1

[1] Интенсивность солнечного излучения за пределами атмосферы Земли (стандартное значение солнечной постоянной) составляет 1353 Вт/м2 [428 БТЕ/(фут2-ч), 4871 кДж/(м2-ч)]. (Примеч. ред.)

[2] Б. Андерса**

[3] При 3-минутной выдержке а=0,79, 8=0,05 При выдержке 2 мин а= = 0,89, е=0,17. Более длительные сроки увеличивают є при незначительном увеличении а.

[4] Патент заявлен,

[5] Эти данные получены из стр. 10 в табл. 12 «Определение выходной мощности солнечного коллектора».

[6] Тепловые потери дома должны определяться в кДж на 1 град-день путем общепринятых расчетов тепловых потерь.

[7] Указанная площадь коллектора, м2, является первым приближением необходимой площади для обеспечения требуемого процента теп­ловых потерь, в данном случае 23 м2.

[8] Потребность в охлаждении для Финикса определена на основе здания, стены которо­го имеют общий коэффициент теплопередачи, примерно в десять раз отличающийся от величины для других пунктов.

[9] Только расчет.

Результаты основаны на наименее дорогостоящей конструк­ции солнечной установки; сюда было включено также и приго­товление горячей воды. В расчетах были использованы тарифы за пользование топливом и электроэнергией 1970 г., которые бы­ли исправлены с учетом КПД использования нефти 56% и КПД газа 67%. Предполагаемая стоимость солнечной энергии соста­вила 21,5 долл, на 1 м2 коллектора при 20-летней амортизации, 8% годовых и дополнительном расходе на охлаждение 1000 долл. Другие капитальные издержки составляют 375 долл, плюс около 10 долл, на 1 м2 коллектора.

На основе этих допущений солнечное отопление дешевле, чем электроотопление, почти во всех рассмотренных восьми го­родах. Кроме того, результаты исследования показывают, что вместимость аккумулятора воды па 1 м2 коллектора почти не оказывает влияния на оптимизацию затрат. Другие кривые оп­тимизации затрат были также сравнительно пологими, показы­вая, что угол даклона и размер системы не столь важны для определения общих затрат, как это лріиняго думать. Особый ин-

[10] В системе СИ за единицу количества теплоты принят 1 джоуль (Дж), в силу исторических причин количество теплоты до последнего времени изме­рялось в калориях или килокалориях (1 ккал = 4186,8 Дж). Термин «количе­ство теплоты» рекомендован стандартом «Единицы физических величин». Более удачным является термин «теплота» при примерах применения терми­нов «теплота фазового превращения», «теплота химической реакции» и др. (Примем, ред.) _ _

[11] Движемся по вертикали от этой точки и находим величину 1 078 000 кДж/м2 за сезон для данного элемента.

[12] Продолжаем двигаться по вертикали до наклонной линии, представляющей общую площадь элемента 8,36 м2.

[13] Двигаясь по горизонтали от этой точки, находим общую

Стеновые материалы — бетоны '

Цементный раствор '

[15] град единицы веса материала.

Удельная теплоемкость газов и паров также зависит от условий их содер­жания, т. е. либо при постоянном давлении, либо при постоянном объеме. Удельная теплоемкость при постоянном давлении больше, чем удельная тепло­емкость при постоянном объеме. Если при постоянном давлении происходит изменение объема в результате температурных изменений, то выполняется работа, а тепловой эквивалент работы отражается в удельной теплоемкости при постоянном давлении.

Авторское право Американского общества инженеров по отоплению, холодильной техни­ке и кондиционированию воздуха. Перепечатывается с разрешения из «Справочника по основным вопросам», 1967.