Энергия

Жидкостный нагреватель. Плоский солнечный коллектор[4] — модуль,. устанавливаемый на открытой поверхности

Этот модуль предназначен для установки на любую конструктивно на­дежную поверхность или на специально созданную опорную конструкцию. Его можно устанавливать на существующую крышу или монтировать в качестве ее продолжения. Мы рекомендуем, чтобы последовательно соединялось не бо­лее трех коллекторов.

Технические данные по материалам

Покрытие: одинарное закаленное стекло толщиной до 5 мм; пропуска - тельная способность 92%.

Корпус теплоприемника: боковые стороны из профилированного алюми­ниевого листа толщиной 1,3 мм

Воздушный промежуток между покрытием и теплоприемником 25—30 мм.

Теплоприемник: медный лист толщиной 0,25 мм; селективное черное по­крытие: минимальная поглощательная способность 0,90; максимальная излу­чательная способность 0,12, изготовлено фирмой «Энтон, инк»; выдерживает температуру до 200° С; медные трубы: типа М диаметром 6,35 мм (наружный диаметр 9,5 мм), расстояние между трубами: 150 мм между центрами; схема расположения труб - решетка; питающие и отводящие трубопроводы: медь типа М диаметром 25,5 мм (наружный диаметр 28,5 мм); соединение труб с трубопроводами: серебряный припой, соединение между трубой и листом, мягкий припой; соединение с наружными трубопроводами: патрубки из меди типа К диаметром 25 мм (наружный диаметр 28,5 мм), выступающие на 50 мм из коллектора, питающий — вверху справа, обратный — внизу слева (если смотреть сверху); давление в трубопроводах (трубах), испытывались до 15 атм.

Тыльная изоляция теплоприемника: стекловолокно толщиной 63,5 мм,

плотность 24 кг/м3; /? = 10,4

Прокладочный материал, стекло, прессованный алюминий и неопреновая U-образная прокладка _

Атмосферостойкость - модуль может подвергаться атмосферному воздей­ствию без дополнительных мер защиты.

Общие наружные размеры модуля, устанавливаемого на открытой поверх­ности ширина 915 мм, длина 2135 мм, толщина 100 мм.

Эффективная площадь теплоприемника 1,7 м2.

Отношение полезной площади теплоприемника к общей закрытой поверх­ности 0,884

Толщина модуля 100 мм.

Площадь остекления 1,76 м2

Способ крепления: к концам рамы крепятся сплошные уголковые скобы, отверстия просверливаются при установке по требованию.

Вес модуля 54,4 кг в заполненном состоянии

Рекомендуемая скорость потока теплоносителя через коллектор: 41 дм3/(м2 коллектора в час) (77=0,9), гидравлическое сопротивление потоку при этой скорости незначительно.

Теплоноситель коллектора: теплоносителями могут быть ингибированные спирто-водные смеси, например стандартный автомобильный антифриз (вы­пускаемый фирмами «Юннон карбайд» или «Дюпон»). В районах, где в каче­стве теплоносителя используется обычная водопроводная вода, важно под­держивать показатель pH между 6 и 8. Эти коллекторы могут эксплуатиро­ваться и с другими теплоносителями, но пользователь должен получить одоб­рение изготовителя на применение специальных жидкостей.

Изготовитель оставляет за собой право изменять детали конструкции без уведомления.

Такой вариант обеспечивает долгий срок службы по сравне­нию с любым другим материалом, имеющимся в настоящее вре­мя для этого типа теплоприемника. На медный лист наносится селективный слой, а поверх устанавливается стеклянное покры­тие. Все устройство помещается в контейнер из оцинкованного листового металла. Независимые испытания, проведенные НАСА и другими организациями, показывают, что этот коллек­тор имеет очень хорошие рабочие характеристики в широком диапазоне температур.

Фирма «ППДжи индастриз» настигает фирму «Сануоркс», выпустив более дешевый коллектор, правда несколько худшего качества (рис. 5.23 и 5.24). Качество определяется в основном применением алюминия вместо меди для пластины теплоприем­ника. Первые панели были установлены без учета проблем кор­розии и в результате разрушались и протекали.

С другой стороны, панель «ППДжи индастриз» имеет очевид­ные преимущества. Вместо труб, прикрепленных к листу, алю­миниевый тсплопрнемнпк имеет уже отформованные в нем тру­бы (технология «Ролл-Бойд»), Поверхность теплоприемника покрыта черной матовой краской, а не селективным слоем, име­ет два стеклянных покрытия из закаленного изолирующего стекла «Геркулит К» фирмы «ППДжи индастриз». Эти узлы выпускаются в разных вариантах с изоляцией или кожухом с тыльной стороны теплоприемника или же без них. Сейчас в основном производстве фирма «ППДжи индастриз» переклю­чилась на выпуск медных геплоприемников.

Первая конструкция коллектора, разработанная фирмой «Сан-Эре, инк », доказана на рис. 5.25. Его отличительной чер­той является то, что горизонтальная труба встроена в коллек­тор. В коллекторах других конструкций большой диаметр труб

image182

Рис. 5 23. Прототип солнечного коллектора фирмы «ППДжи индастриз» а — конструкция теплоприемника; / — закаленное стекло «Геркулит» 3,2 мм, 2 —алюми­ниевый теплоприеміьк; >— изоляция; 4 — трубы, наружный диаметр 12,7 мм; 5 — два слоя закаленного стекла «Геркулит» толщиной 3,2 мм, 6 — воздушный промежуток; 7 — панель теплоприемника толщиной 1,5 мм из алюминия типа 1100 (типичная конструкция устройств с двойным возд>шным промежутком)

 

 

image183

Рис 5 24 Прототип солнечного кол­лектора фирмы «ППДжи индастриз» с необязательным тыльным защит­ным кожухом

1 — изолента, 2 — закаленное стекло «Гер­кулит» толщиной 3,2 мм, 3— воздушный промежуток 9,5 мм, 4 — алюминиевый теп - лоприемннк, 5 — стекловолокнистая изо­ляция, 6 — оцинкованный кожух, предо­храняющий изоляцию

image184

Рис 5 25. Конструкция коллектора первого поколения фирмы «Сан-Эре констракшн Ко.»

1 — наружное стекло, 2 — неопреновая прокладка для остекления, 3 — внутреннее стекло, 4 — теплостойкая лента для остек пения, 5 —пластина с циркулирующим теплоносителем; 6 — распределительная труба, 7 — гибкий шланг, 8 — хомут шлан­га, 9 — уплотняющая прокладка и сикка­тив, 10 — жесткая стекловолокнистая изо­ляция, U — пароизоляционная подкладка; 12 — слой герметика, 13 — рама из прессо­ванного алюминия, 14 — опорная конструк­ция (из дерева или другого материала)

image185

тора

/ — обратная магистраль 2 — медная многослойная панель; 3 — крепежная скоба 4 — зачерненная поверхность медного листа 5 — прогон или ригель, 6 — труба прямоуголь ного сечения, 7 — стеклянное покрытие, 8 — переходная муфта с прямоугольного на круг лое сечение, 9 — узел нащелышков, 10 — питающим трубопровод //— уплотняющая лента 12 — накладка иащелышка, 13 — одинарное или двойное остекление 14 — проклад­ка между стеклами, 15 — нащельпик, 16 — прокладочная лента, 17 — медная пластина коллектора, 18 — многослойная медная панель фирмы «Ревер», 19 — планка (25—38 мм), соответственно их большая длина и многочислен­ные 'соединения со многими панелями существенно увеличивают общую стоимость коллектора.

Фирма «Ревер Коппер энд Брасс, инк.» разработала солнеч­ный коллектор, добавив прямоугольные медные трубы к слои­стой панельной системе, в которой тонкий медный лист соеди-

Рис 5 27. Солнечный водонагрева­тель «Соларсан» Уильяма Эдмунд - сона

image186"/ — алюминиевые кровельные гвозди 2 — стекловолокнистая панель «Гластпл / Тед лар» или эквивалентный материал, 3 — рейка для забивки гвоздей 4 — скобы, 5 — фильтрующий материал (необязатель но), 6 — медные трубы, 7 —зеркальная мягкая алюминиевая фольга толщиной 0,08 мм или более 8 — стекловолокно їй па 703 пли 704 9 — фольга или специаль пая бумага 10 —• деревянный наспіл кры ши Изображение в разобранном виде солнечный водонагреватель «Соларсан» применительно к обычной крыше Отдел солнечною оборудования «Солар ліерд жи дапджест», п/п 17776, Сан Диего СА 92117 Патент заявлен, сентябрь 1974 г

нен с фанерой, образуя состав­ную строительную панель; эта панель используется главным образом в качестве кровли (рис. 5.26). В зависимости от требований к КПД коллектора на каждой стандартной панели размером 0,6X2,3 м располагается от двух до пяти труб. Хотя были сконструированы специальные зажимы, нащельники и муфты, рабочие характеристики и долговечность этого коллек­тора часто не отвечали требованиям.

Среди проблем долювечности может быть возможное отсла­ивание тонкого медного листа от фанеры при повышенных тем­пературах; возможная прерывность и неплотность соединения прямоугольных труб и медного листа; утечка тепла от пластины теплолриемника наружу через медный «средник», который кре­пит одинарное или двойное покрытие к коллектору.

Солнечный коллектор «Соларсан», показанный на рис. 5.27, был разработан Уильямом Эдмуидсоном, редактором ежемесяч­ного информационного бюллетеня по солнечной энергии «Солар энерджи дайджест». Хотя коллектор был задуман как солнечный водонагреватель, его легко можно приспособить к системе отоп­ления здания. Действительно, поскольку им предполагалось за­менить часть крыши, разумнее построить этот коллектор разме­ром во всю крышу, используя его как для отопления, так и для приготовления горячей воды. Так как стоимость нескольких ком­понентов можно сравнить с крышей, реальная стоимость мате­риалов коллектора может быть сравнительно невелика, возмож­но несколько более 10 долл, за квадратный метр. На чертеже не показаны многие необходимые детали, например соединение медных труб с алюминием.

Плоские коллекторы воздушного типа. Системы сбора сол­нечного тепла путем использования в качестве теплоносителя воздуха приемлемы для отопления помещений всех ТИПОВ, ОСО­
бенно в тех случаях, когда не предусматривается или в незйачй- тельной степени используется охлаждение или подогрев воды для бытовых нужд.

Воздушные системы выглядят более привлекательными, чем жидкостные, потому что требуют меньше трубопроводов и де­талей и поэтому менее дороги. Причиной сложностей с жидко­стными системами являются проблемы возможного замерзания жидкости в коллекторе; необходимость учитывать расширение жидкости при ее напрсве в системе, включая возможность мгно­венного перехода жидкости в газообразное состояние (например, воды в пар); возможность протечки системы; и коррозия метал­лических водопроводных труб Сравнительная простота воз­душных систем притягательна для людей, желающих построить свою собственную систему, по, как со всеми системами собира­ния, храпения и использования солнечной энергии, их точный расчет труден, поэтому все системы, за исключением простейших, должны проектироваться человеком, сведущим в вопросах меха­ники и теплообмена. Тем не менее воздушные коллекторы срав­нительно легко содержать и ремонтировать. Вентиляторы, при­воды демпферов и органы управления могут отказать, однако крупные узлы, в том числе коллектор, аккумулятор тепла и воз - духозоды должны иметь длительный срок службы.

Изготовление воздушных коллекторов и связанных с ним уз­лов и систем сравнительно просто, если сопоставить со слесар­но-водопроводными работами и попытками найти и использовать пластину теплоприемника, пригодную для жидкостных систем. За исключением конструкции д-ра Гарри Томасона, в которой вода стекает по волнистому металлическому листу, в большин­стве конструкций теплоприемника трубы крепятся к ним или составляют с ними одно целое, причем обращаться с этими уз­лами непросто даже для квалифицированных рабочих. Легче содержать теплоприемник в системе воздушного коллектора; поскольку они не соединены с водопроводной системой, которая должна быть герметичной, и поскольку они не требуют строгого учета расширения и сжатия, нет нужды изготавливать их с боль­шой точностью.

По с}ти дела, для коллекторов воздушного типа теплоприем­ник необязательно должен быть металлическим. Так как во мно­гих типах коллекторов воздух соприкасается с поверхностью любого материала, нагреваемого солнцем, тепло необязательно должно передаваться от одного участка поверхности теплопри­емника к другому, как в случае жидкостных коллекторов. Почти любая зачерненная поверхность, которая нагревается солнцем, б>дет передавать тепло воздуху, обтекающему ее. Такой меха­низм теплообмена открывает множество вариантов выбора по­глотителей.

Рэймонд Блисс и Мэри Доновэн использовали черный четы­рехслойный хлопчатобумажный экран для изготовления тепло-

Подпись: Рис. 5 28 Воздушный солнечный кол-лектор Дж. О. Дж. Лёфа Подпись:

1 — впуск холодного воздуха, 2— изоли­рованное днище, 3— черное покрытие, 4— выпуск горячего воздуха, 5 — верхнее стеклянное покрытие, 6 — прозрачное стек­ло, 7 — промежуток в 6,3 мм

приемников для объекта «Дезерт грасслэнд стейшн» в шт. Ари­зона, а д-р Джордж Лёф использовал закрашенные черным пластины стекла в своем доме в Колорадо (рис. 5.28); стеклян­ные пластины (0,45 м) на две трети перекрывают друг друга. Каждая пластина состоит из двух частей: черной и прозрачной. Черное покрытие получают путем нанесения черного стеклошла­ка на обычное оконное стекло и выдерживания его в отжиговой печи. Пластины закрываются сверху двумя слоями стекла. Че­тыре секции по 1,2 м располагаются в ряд с наклоном 60° от го­ризонтали. Первоначально из-за неправильного способа закреп­ления кромок стекло трескалось при расширении и сжатии. Спо­соб закрепления был изменен и стекло не разбивалось. Если кромки стекла не защищены, пластина будет трескаться и в ко­нечном счете раскалываться. Под руководством д-ра Эрика Фарбера в университете шт. Флорида черные секции пластин Лёфа были заменены зачерненным алюминием с пахлеегкой тем же способом.

Разумеется, можно применять для теплоприемника и метал­лические пластины. Понятно, что не только металл является долговечным и эффективным, но он предпочтительнее для тех случаев, когда солнечная радиация поступает не на всю поверх­ность теплоприемника, соприкасающегося с движущимся воз­духом. Металл также способствует устранению «горячих мест», вызванных неравномерным потоком воздуха над поверхностью, распределяя избыточное скопление тепла на другие поверхно­сти, а от них к воздуху. В своих исследованиях Дж Д. Клоуз [10] определил относительные преимущества размещения воз­духоводов по отношению к светонепроницаемым металлическим

Ш

пластинам теплоприемников. Три основные конфигурации пока­заны на рис. 5.29: тип I, в котором воздуховод помещен между пластиковым покрытием и поверхностью теплоприемника; тип II, в котором дополнительный воздуховод располагается по­зади пластины теплоприемника, и тип III, в котором отсутствует верхний воздуховод, а используется только воздуховод, распо­ложенный за пластиной теплоприемника. Воздухоподогреватель типа II имеет более высокий КПД, чем другие два типа, когда содержащийся в нем воздух « наружный воздух имеют примерно одну и ту же температуру. Однако при увеличении разности между температурой коллектора и температурой наружного воздуха лучшие характеристики будет иметь устройство типа III. Примерная схема коллектора воздушного типа, который был применен в экспериментальном солнечном доме Института эко­номии энергии при университете шт. Делавэр, показана на рис. 5.30. В своей основе это коллектор типа III с дополнитель­ной составной частью — фотоэлементами, которые преобразуют солнечный свет в электричество помимо основной задачи кол­лектора подавать нагретый воздух в помещение.

Дж. Д. Клоуз сделал также вывод, что чем выше рабочая температура коллектора, тем большее значение приобретает коэффициент теплообмена между поверхностью теплоприемника и воздухом. В летний период, когда температура коллектора может быть лишь на 15—20° выше наружной температуры, эф­фективность одного ровного металлического листа можно срав­нить с эффективностью ребристой пластины или поверхности с V-образной волнистостью (рис. 5.31). Однако в районах с про­хладным и холодным климатом, где разность температур кол­лектора и внешней среды может достигать 55°, ребристая пластина (рис. 5.32) на 5—10% более эффективна по сравнению с плоской пластиной, а пластина с V-образной волнистостью—■ па 10—15%.

image189Рис 5 30 Попереч­ный разрез элек­тротеплового плос­кого коллектора для солнечного дома при универ­ситете шт Делав­ар

I — стропила 2 — vit лотненпя і — плек сшлас с абситовым покрытием 4 — эла стичнып клеи, б— бутиловый каучук, б — солнечные эле менты, 7 — гермети ческое уплотнение 8 — воздуховод 9 — изоляция, 10 — рас­порки, обеспечиваю щие равномерный воздушный поток

image191
Подпись: волнистостями J — угол раскрытия V-образной волнистости 60° Рис. 5.32. Ребристая пластина теплоприемника

Задняя сторона пластины теплоприемника должна быть окрашена в черный цвет, если ее обтекает воздух. Поверхность, отделяющая задний воздуховод от изоляции, должна быть по­крыта отражающей фольгой; однако если применяется перфо­рированная пластина, отделяющая поверхность должна быть черной и должна служить в качестве еще одной поверхности теплообмена.

Подпись: Рис. 5.33. Волнистая пластина теплопри-емника Подпись: Рис 5.34. Металли-ческая пластина теп-лоприемника прямо-угольного сечения Подпись: Рис. 5 35. Стальная пластина теплоприем-ника с усеченными V- образными волнисто-стями

Например, Уиллиер показал [43], что путем замены обыч­ной сплошной пластины теплоприемника зачерненной прово-

лочной или пластиковой сеткой, дающей возможность нижеле­жащей поверхности воздуховода поглощать половину излуче­ния, можно удвоить величину h (эффективный коэффициент теплопередачи между теплоприемником и воздушным потоком), обеспечив увеличение отвода тепла па 10—15%. Удовлетвори­тельные значения h находятся в пределах 34—68 Вт/(м2-град). Предпочтительнее более высокие значения h при условии, что затраты на подкачку воздуха не становятся слишком высокими. Другие способы увеличения эффективной площади поверхности теплоприемника, а следовательно, и повышения коэффициента теплопередачи представлены на рис. 5 33, 5.34 и 5.35.

Поскольку теплоприемник можно изготовить из неметалли­ческих материалов, вполне вероятно значительное снижение стоимости солнечных коллекторов, что стимулирует изготовите­лей исследовать эту альтернативу жидкостным системам с целью производства изделия, более конкурентоспособного по стоимо­сти. К сожалению, с воздушными коллекторами проводилось сравнительно мало исследований и разработок. Это объясняет­ся главным образом традиционной приверженностью к жидкост­ным системам Изготовители и другие заинтересованные лица заваливаются информацией по жидкостным системам и счита­ют их наиболее легко осуществимыми. Из-за обилия такой ин­формации дальнейшие исследования проводятся в основном с жидкостными системами, поэтому дисбаланс только углуб­ляется.

Независимо от того, изготовлены теплоприемники из метал­ла или нет, важно, чтобы движение воздуха через промежуток над поверхностью теплообмена было турбулентным. Обычно воздушный поток является ламинарным, т. е. воздух, прилегаю­щий к поверхности, сравнительно неподвижен, в то время как воздух над поверхностью движется спокойными ненарушенны­ми слоями. Такой режим течения обеспечивает плохую теплопе­редачу: неподвижный воздух вблизи поверхности теплоприемни­ка нагревается, а движущийся над неподвижным слоем воздух не соприкасается с поверхностью теплообмена.

Устранить этот недостаток можно с помощью турбулентного потока, который рассматривается в двух масштабах. В макро­масштабе турбулентный поток можно проиллюстрировать завих­рениями дыма, вдуваемого в какой-либо объем; эти завихрения легко наблюдать визуально. В микромасштабе тот же эффект должен иметь место непосредственно у поверхности теплопри­емника

Чтобы создать турбулентность в макромасштабе, теплопри­емник не должен быть плоским, а должен быть как можно бо­лее шероховатым, заставляя воздух двигаться во всех направ­лениях Эту функцию хорошо выполняют ребристая пластина и V-образные волнистости,

Подпись: Рис 5 ЗО Возможная организация потока воздуха через охлаждаемые воздухом коллекторы

/ — воздушный промежуток в 25—50 мм, 2 — полиэфирная смола, армированная стеклово­локном, 3 — светопроницаемая изоляция (или второе стеклянное покрытие), 4 — черный ме­таллический лист, 5 — пластмассовое покры­тие, 6 — отражающая поверхность 7 — стек ловолокнистая изоляция толщиной 150— 250 мм, 8 — декоративное покрытие

Подпись:Чтобы создать турбулентность в микромасштабе, поверх­ность также должна быть шероховатой с как можно большим количеством острых выступов. Примерами таких грубых по­верхностей могут служить слой, подобный мелкому гравию (рис. 5.36); воздушные фильтры для печей; ткань; сетка и пла­стина с пробитыми отверстиями (рис. 5.37). Если к алюминие­вому листу прикрепить тысячи миниатюрных волосков (или прямых шпилек, заделанных в его поверхность), эффективность теплопередачи еще более увеличится благодаря большей пло­щади поверхности и созданию микротурбулентиости самими волосками. Еще больший эффект достигается, если алюминие­вая пластина с волосками состоит из ряда отдельных секций, вызывающих макротурбулентность воздушного потока.

При турбулентности возникает перепад давления в коллек­торе Сложная конфигурация поверхности и множество препят­ствии воздушному потоку требуют установки достаточно мощно­го вентилятора, а следовательно, и большего расхода энергии для создания воздушного потока. Необходимая для этого энер­гия может свести на нет экономию от использования солнечной знеріии, особенно если вентилятор работает иа электричестве и если учитывается количество топлива, которое сжигается на электростанции для производства электроэнергии. Рэй Блисс и Мэри Доновэн решили эту проблему в своей установке для объ­
екта «Дезерт Грасслэнд Стейшн». Вместо создания турбулент­ности воздух продувается через четыре слоя черной хлопчато­бумажной сетки (рис. 5.38).

Для коллекторов воздушного типа факторы, влияющие на гыбор краски для теплоприемника, селективных поверхностей и покрытий, аналогичны уже рассмотренным выше для коллек­торов жидкостного типа Однако следует сделать несколько за­мечаний Пожалуй, один из основных недостатков неметалличе­ских поглотителей для коллекторов воздушного типа заключает­ся в относительной трудности нанесения селективных покрытий Пока не усовершенствуется технология нанесения таких покры­тий, будут преобладать металлические теплоприемники для коллекторов воздушного типа Когда можно будет легко нано­сить селективные покрытия на неметаллические теплоприемни­ки, появятся сравнительно дешевые, но в то же время эффектив­ные коллекторы воздушного типа.

Клоуз [10] продемонстрировал значение селективных по­крытий для коллекторов воздушного типа. При всех прочих рав­ных условиях для теплоприемника с селективным покрытием эффективность его работы повышается от 50 до 65% при низ­ких рабочих температурах и от 15 до 35%-—при повышенных температурах. Клоуз не исследовал для этого случая влияние кратности остекления, тем не менее можно экстраполировать из исследований коллекторов жидкостного типа, что двойное остек­ление или нанесение селективного слоя влияет на КПД коллек­тора аналогичным образом.

Холланде [18] показал, что можно существенно улучшить рабочие характеристики нагревающего воздух теплоприемника с помощью V-образных волнистостей, рассмотренных выше (ом. рис 531). Помимо увеличения поверхности теплопередачи эта пластина увеличивает поглощение лучистой энергии, поскольку прямое излучение, попадающее на волнистости, отражается не­сколько раз, при этом поглощение происходит на каждой из по­верхностей. При правильной ориентации поглощательная спо­собность такой пластины намного выше, чем у плоского листа, а увеличение излучательной способности сравнительно невелико.

Важным соображением при конструировании коллектора яв­ляется предупреждение утечки воздуха. Поскольку нагретый солнцем воздух подается вентилятором под давлением, сущест­вует возможность утечки даже через небольшие щели, а также

image197Рис 5 38 Солнечный коллектор Доновэн и Блисса с черной сеткой

1 — черная сетка; 2 — впуск воздуха; 3 — выпуск воздуха
засасывание в эти щели холодного наружного воздуха. Многие конструкторы считают, что предупреждение утечки важно для жидкостных систем, но это имеет не меньшее значение для по­вышения КПД воздушных коллекторов. Воздухонепроницае­мость является важнейшим фактором в конструкции всей систе­мы воздушного потока, включая воздуховоды и демпферы Осо­бая тщательность должна быть соблюдена при устройстве пере­плетов остекления во избежание утечки воздуха, использование больших листов пластика значительно снижает число стыков при остеклении. Подобно вторым оконным рамам, уменьшаю­щим проникновение воздуха в здание, второе и третье прозрач­ное покрытие уменьшает утечку воздуха в коллекторах воздуш­ного типа.

Для домов Джорджа Лефа были сконструированы и изготов­лены различные коллекторные панели в виде отдельных секций, а затем собраны в один большой коллектор. Такой способ изго­товления может уменьшить вероятность утечки и более предпоч­тителен при массовом производстве, обеспечивая при этом сни­жение стоимости.

Если коллектор будет изготавливаться и собираться на месте, то в конструктивных элементах, отделяющих отсеки теплоприем­ника друг от друга, можно сделать перфорации, позволяющие воздуху поступать из одного отсека в другой, выравнивая тем самым давление и воздушный поток через разные панели По сравнению с жидкостями предсказание и равномерное распре­деление потока газов или воздуха представляет собой более трудную задачу. В случае панелей заводского изготовления, ко­торые собираются на площадке, в конструкции должен пред­усматриваться допуск на изменение и регулирование воздуш­ного потока. Трудность предсказания и контроля за движением воздуха является одной из причин предпочтения инженерами жидкостных систем солнечного нагрева.

Уиллиер [43] сообщил, что применение тонкого листа пла­стика для остекления сетчатой пластины теплоприемника дало неожиданно хорошие результаты. Он утверждает, что случайные колебания давления над теплоприемником под действием ветра, дующего над пластиковым прозрачным покрытием, вызывают легкое «хлопанье» этого покрытия, в резулыате чего возникает небольшой пульсирующий поток воздуха через сетку. Этот по­ток значительно увеличивает коэффициент теплопередачи, улуч­шая общие характеристики коллектора. Он сообщил о 10%-ном увеличении КПД.

Турбулентный поток воздуха, обтекающий теплоприемиик, увеличивает потери конвекцией в коллекторе воздушного типа по сравнению с аналоїичпым коллектором водяного типа. Поэто­му потери на длинноволновое обратное излучение от поверхно­сти теплоприемника через прозрачное покрытие составляют меньшую часть общих тепловых потерь коллектора, чем для коллекторов водяного типа. Это значит, что наряду с стеклом, почти непроницаемым для длинноволнового обратного излуче­ния, такие пластиковые покрытия, как «Тедлар» (поливинил­фторид) с коэффициентом пропускания длинноволнового излу­чения 0,4, могут применяться при сравнительно небольшом от­рицательном эффекте

Одна из трудностей использования воздуха вместо воды или других жидкостей заключается в его довольно низкой спо­собности хранить тепло и его малой плотности. Удельная тепло­емкость воздуха 0,24; воды 1. Плотность воздуха при обычных условиях составляет около 1,2 кг/м3, а воды— 1000 кг/м3. Та­ким образом, через коллектор требуется пропустить значитель­но большее количество воздуха, чем воды, как по объему, так и по весу. Например, если через коллектор циркулирует 30 дм3 воды, то для переноса того же количества тепла потребуется 120 кг, или 100 м3 воздуха.

Ввиду низкой теплоемкости воздуха появляется необходи­мость создавать габаритные рабочие объемы, где он может цир­кулировать, даже в самом коллекторе. Воздушные промежутки в коллекторах (например, между пластиной теплоприемника и прозрачным покрытием) составляют 40—150 мм. Вообще чем больше размер воздуховода, тем меньше перепад давления (со­противление движению воздуха), но тем хуже теплопередача от теплоприемника к воздуху. Для плоских теплоприемников из листового металла воздуховодный промежуток составляет 12— 25 мм. Более крупные воздуховоды требуют больших затрат как по расходу материалов, так и по занимаемому объему. Диаметры воздуховодов 40—65 мм считаются оптимальными для большин­ства крупных коллекторов, которые объединены с системами естественной циркуляции или с системами, имеющими длинные воздуховоды (4,5 м и более).

Температура теплоприемника в коллекторе типа I, показан­ном на рис. 5 30, сравнительно высока. При этом тепло теряется непосредственно с обратной стороны теплоприемника. В коллек­торах типа II и III па том же рисунке горячая поверхность теп­лоприемника омывается также и с тыльной стороны турбулент­ным воздушным' потоком, который несколько холоднее, чем теп - лоприемпик Для этих типов коллекторов требуется меньше изо­ляции, чем для коллекторов типа I.

Рабочие характеристики коллектора. Существует много под­робных трактовок рабочих характеристик коллектора рядом авторов, работающих в области солнечной энергии; среди них прекрасная статья Остина Уиллиера «Конструктивные факторы, влияющие на рабочие характеристики солнечного коллектора» в книге «Низкотемпературные области применения солнечной энергии» [22]; другие приведены в классических книгах «Рабо­чие характеристики плоских коллекторов» Хоттела и Вурца,[19] и «Вывод выражений для коэффициентов полезного дейст-

Вйя теплоприемников, полезных при проектировании плоских солнечных коллекторов» Рэймонда Блисса [6]. Без увеличения стоимости коллектора может быть достигнуто лишь незначи­тельное повышение общего КПД. Повышение эффективности использования энергии солнечного излучения часто требует уве­личения затрат, которые не всегда окупаются за срок службы коллектора. Стремление многих инженеров, занимающихся сол­нечной энергией, создавать коллекторы с повышенным КПД без учета их возросшей стоимости неоправданно.

Обобщенные рабочие характеристики коллектора. Ниже при­ведено уравнение теплового баланса коллектора в установив­шемся режиме для определения количества энергии, которое солнечный коллектор может поглотить и отдать теплоносителю, находящемуся в контакте с поверхностью теплоприемника:

я0 = К» ~ Н1

полезное тепло, погло - = мощность солнечного — тепловые потери кол- щенное коллектором излучения, достигаю - лектора

щего теплоприемни­ка

Поглощенное полезное тепло Я с обычно определяется путем измерения скорости потока теплоносителя и разности его темпе­ратур на входе и выходе из коллектора. Скорость потока, кг/(м2-ч), умножается на эту разность температур на входе и выходе; полученное произведение в свою очередь умножается на удельную теплоемкость теплоносителя, которая составляет (Для воды 4,2 кДж/(кг-град) и 1,5 кДж/(кг-град) для воздуха. Полученная величина представляет собой удельное количество тепла, собранного коллектором и измеряемого в Дж/(м2-ч) или Вт/м2;

полезное тепло = массовая ско - х удельная теп - X разность тем - поглощенное рость потока лоемкость ператур на

коллектором теплоносителя входе и выходе

Подпись: ДжПодпись: X [град].Подпись:Подпись: . (кг•град)яЛ^ї-1=Г—її-

L (м2-ч) J L (м3-ч)

Хотя Я с предполагает, что все собранное тепло пошло в дело, это не всегда так, особенно е|сли имеются потери энергии из воз­духоводов или труб или из аккумулятора тепловой энергии.

Общее количество солнечной энергии /, попадающей на сол­нечный коллектор, обычно выражается в Вт/м2, кал/(см2-мин) или кДж/(м2-ч). Этот вопрос рассматривается в разделе «Сол нечная радиация». По существу (рис 5.39), чем выше плотность солнечной радиации, тем выше общий КПД коллектора. Однако введение надежных данных по радиации для определенного пункта местности является одной из наиболее трудных задач в предсказании рабочих характеристик коллектора. Приводятся некоторые полезные советы по подходам к решению этой задачи На рис, 5,40 показано изменение расчетных ежемесячных харак -

терислнк одинаковых коллекторов, расположенных в двух раз ных районах: Бостон, шт Массачусетс, и Мадисон, шт. Вискон син. Несмотря на то что температуры в обоих случаях меняются во времени, можно видеть, что характер изменения характери стик коллектора в основном зависит от условий поступления солнечной радиации в этих районах

При проектировании и эксплуатации солнечных установок важно иметь в виду то, что, поскольку поюдные условия суще сгвенно меняются не только в течение суток, месяца или года,

image198Рис 5 39 Влияние плотности по тока солнечного излучения на КПД коллектора (представленные величины относятся к определен­ному коллектору, прошедшему ис­пытанию в университете шт. Пен­сильвания, и не могут применяться ко всем типам коллекторов)

image199,image200

температура наружного воздуха по стоянна, / — 950 Вт/м2, г—630 Вт/м2, 3 — 320 Вт/м2

Рис 5 40 Зимние рабочие характеристики вертикальных, обращенных на юг плоских солнечных колекторов в Бостоне и Мадисоне (конструкция двойное остекление с воздушным промежутком поверх зачерненного медного листа, охлаждаемого водой, хорошая изоляция снизу) [31], полезное тепло 103 кДж>2 в месяц

а — Бостон, шт Массачусетс, б — Мадисон, шт Висконсин (температура коллектора)

200

image228

рйС 5 41 Изменение эф­фективности коллектора во времени при отсчете в часах от солнечного полдня для перепадов температур 30 и 50° при одно - и двухстеклянном покрытии и плоском за­черненном теплоприемни­ке с селективным покры­тием (типа, разработан­ного Тэйбором) и одним слоем остекления

Подпись:21 июля, 40° с ш, ясный день, наклон коллектора 40° к горизонтали, А и D се лективное покрытие один слой остекления, В и Е черная поверхность, два слоя остекления С и F черная поверхность, один слой остекления

но иногда и в течение часа, система, спроектированная для средних условий, не может все время функционировать одинако­во Кроме того, весьма сложно получить за прошлые периоды данные по инсоляции как по причине неточных приборов, при­менявшихся за последние 20—30 лет для измерения солнечной радиации, так и в связи с довольно небольшим числом метеоро­логических станций (примерно 75 станций в Соединенных Шта­тах), где измеряется солнечная радиация. Как и в случае с тем­пературой, инсоляция существенно меняется от одного района к другому, даже если расстояние между ними невелико

Как теперь должно быть ясно, непредсказуемое количество солнечной энергии требует, чтобы она рассматривалась как до­полнение к другим источникам энергии Возможно, что в буду­щем развитие долговременных систем аккумулирования энер­гии поможет решить проблемы, связанные с нерегулярным по­ступлением солнечной энергии Однако точный расчет режима поступления солнечной радиации имеет меньшее значение, чем это обычно предполагается, поскольку изменение солнечной ра диации, скажем, на 10% повлияет на общий КПД системы в пределах 3%, при этом весь КПД может составлять 40%. Кроме того, коллекторы нс всегда будут работать, когда светит солн­це, ло ряду причин, например когда потребителю тепловая энер - I ия не требуется. Или рано утром и поздно вечером, когда ин­тенсивность излучения недостаточно велика для работы коллек - юра или угол падения лучей па коллектор настолько мал, что бблпная часть лучей отражается от панели (рис 5 41). Коллек­торы могут не работать во время частично солнечных периодов, когда солнце на короткое время закрывается облаками. В те­чение шестимесячного отопительного сезона 25% энергии солнеч­
ной радиации будет попадать на хорошо спроектированный кол­лектор в тот период; когда он не включается в работу.

Количество лучистой энергии, которое поступает на коллек­тор, Яа уменьшается затем пропорционально величине пропу - екательной способности т прозрачных покрытий и величине по­глощательной способности а теплоприемника. Обе эти величи­ны зависят от угла падения лучей. Стекло и пластмасса пример­но на 90% пропускают свет под прямым углом, однако в тече­ние дня средний коэффициент пропускания может составлять 70—75% для одинарного остекления и 62—67% для двойного Поглощательная способность поверхности теплоприеміника в меньшей степени зависит от угла падения лучей и в большей от характеристик самой поверхности. Величина общей эффектив­ности может быть уменьшена на 3—5% в результате потерь вследствие запыления покрытий и затенения, создаваемого бо­ковыми стенками коллектора и опорными стойкими переплета остекления. Тогда мощность солнечного излучения Яа, достига­ющего теплоприемника, будет

Яа = (0,96)/та.

Тепловые потери теплоприемника Ні представляют собой сумму большого числа различных потерь, в том -числе радиаци­онных потерь, потерь тепла в окружающий воздух вследствие конвекции и теплопроводности и потерь вследствие теплопро­водности от коллектора к более холодным частям системы - через изоляцию и материалы конструкции.

Подпись: Рис 5 42 Обобщенная зависимость между температурой коллектора и его выходной мощностью (при постоянной наружной температуре) Подпись: Рис. 5 43 Обобщенная зависимость между выходной мощностью коллек-тора и температурой наружного воз-духа (при постоянной температуре коллектора)

Эти потери меняются под влиянием следующих факторов: средней температуры пластины теплоприемника (рис. 5.42); температуры наружного воздуха (рис. 5.43); эффективной температуры небосвода, которая обычно - на 5— 15° ниже температуры окружающего воздуха и которая влияет на радиационные потери тепла;

image204

Рис 5 44. КПД плоских коллекторов в зависимости от кратности остекления а — тыльная часть коллектора открыта для наружного воздуха, №>=0,852 Вт/(м2 • град), общая солнечная и атмосферная радиация равна 2 кДж / (см2 • сут) на 15 января, 42° с ш, А — один слой остекления, В — два слоя остекления С — три слоя остекле­ния, 6 — потерь тепла от тыльной стороны коллектора нет, общая солнечная и атмо­сферная радиация равна 2 кДж / (см2 сут) на 15 января, 42° с ш.

скорости ветра, которая оказывает меньшее влияние при увеличении числа прозрачных покрытий и понижении темпера­туры коллектора;

кратное і и остекления и в меньшей степени расстояния меж­ду стеклами;

также их пропускательной способности по отношению к длинноволновому инфракрасному излучению;

количества и типа тыльной и боковой изоляции.

Суммарное влияние последних двух факторов (остекления и тыльной изоляции) показано на рис. 5.44 Джорданом и Трел - келдом. На первом графике представлены КПД коллекторов с одним, двумя и тремя стеклами, а также незакрытых коллекто­ров с величиной U через заднюю стенку 0,85 Вт/(м2-град). Вто­рая группа кривых относится к тому же коллектору, но с одной стороной, открытой в отапливаемое внутреннее помещение, теоретически не имеющему потерь тепла с задней стороны. При низких рабочих температурах почти нс наблюдается разницы в характеристиках, однако при более высоких рабочих темпера­турах отмечается существенное повышение КПД, если умень­шить потери тепла через заднюю стенку. Как указывалось ра­нее, оптимальное количество прозрачных покрытий для соответ­ствующей разности температур между коллектором и наружным воздухом должно дополняться соображениями стоимости, а так­же особенностями строительства и ремонта.

Рис. 5.45. Обобщенная зависи­мость между выходной мощно­стью коллектора и скоростью по­тока теплоносителя

Подпись:Первый пункт из выше­перечисленных, а именно, средняя температура пла­стины теплоприемника явля­ется одним из решающих элементов в оптимизации конструкции такой системы. Как показано на рис. 5.42, при постоянных наружных температурах КПД коллек­тора снижается почти по линейной зависимости при повышении его собственной темпера­туры. Эта температура зависит от нескольких факторов:

скорости потока теплоносителя через коллектор (рис. 5.45); вида теплоносителя (газ или жидкость); температуры, при которой теплоноситель поступает в кол­лектор;

}гла наклона коллектора;

коэффициентов теплопередачи между теплоносителем и пла­стиной теплоприемника.

Для коллекторов жидкостного типа с трубами и пластинами необходимо добавить следующие факторы:

теплопроводность соединения между трубами и пластиной теплоприемника;

эффективность оребренной плоской пластины, которая обус­ловливается материалом пластины, ее толщиной и расстоянием между трубами.

Оптимальная скорость потока теплоносителя меняется в за­висимости от условий работы. Вообще, разумеется, чем выше скорость потока, тем ниже рабочая температура и тем выше КПД коллектора. Вода остается наиболее приемлемым тепло­носителем для солнечных коллекторов. Многие ее недостатки обсуждались выше, а вот ее преимущества: низкая стоимость; низкая вязкость, обеспечивающая малые затраты энергии на пе­рекачку; сравнительно высокая плотность и удельная теплоем­кость и хорошая теплопроводность.

Другими рассматриваемыми жидкостями являются этилен­гликоль, пропиленгликоль, масло, полигликоли и силиконовые жидкости. Большинство этих вариантов можно изъять из даль­нейшего рассмотрения из-за их неудовлетворительных характе­ристик, например высокой стоимости, высокой вязкости, проб­лем коррозии, разложения при высоких температурах или низ­ких температур воспламенения.

т

Этиленгликоль (антифриз) является наиболее распростра­ненной добавкой к водяным системам. Процент добавления гли­коля к воде тот же, что и для автомобилей в той же местности. Гликоль несколько плотнее воды, но имеет меньшую теплоем­кость. Для 25%-ного водного раствора гликоля совокупное влия­ние на КПД составляют чистые потери (5%) при той же скоро­сти потока теплоносителя (кг/ч). Для 50%-ного раствора сниже­ние КПД составляет около 17%. Для систем отопления поме­щений оптимальная массовая скорость теплоносителя находит­ся обычно в пределах 20—50 кг/(м2-ч) воды и 75—200 кг/(м2-ч) (примерно 85—250 дм3 в 1 мин) воздуха.

Джон Минарди и Генри Шуан из Дэйтонского университета провели испытания коллектора, в котором черная жидкость с высокой поглощательной способностью течет в прозрачных каналах и непосредственно поглощает солнечную энергию. Ни­какого металла не требуется, вся поверхность плоского коллек­тора покрыта прозрачными трубами. Испытания показали, что такие жидкости, как тушь, обеспечивали КПД, сравнимый с КПД металлических плоских коллекторов [30].

На рис. 5.46 показана еще одна зависимость, обычно исполь­зуемая для определения КПД коллектора: чтобы устранить влияние различия в величинах потока солнечной радиации в том или ином случае, разность температур коллектора и наружного воздуха делят на плотность потока солнечной радиации.

Реальные характеристики солнечного коллектора, выпущен­ного фирмой «ППДжи индастриз» в 1974 г., при плотностях по­тока солнечной радиации 0,95—1,03 кВт/м2 показаны на рис. 5.47. Другие экспериментальные результаты «базового» коллектора фирмы «ППДжи индастриз» при увеличении скоро­сти потока теплоносителя приведены на рис. 5.48 [25 кг/(м2-ч) для их коллектора площадью 1,7 м2].

На рис. 5.48 проиллюстрированы также интересные зависи­мости температуры коллектора от плотности потока солнечной радиации, времени суток и наружной температуры. Когда ука­зывается температура коллектора, необходимо уточнять, имеет­ся ли в виду температура на выходе, на входе или средняя тем­пература. Общий вид температурного градиента температуры от входа до выхода представлен на рис. 5.49; для реальных ус­ловий испытания более подробные кривые показаны на рис. 5.50. Также показана зависимость между температурой теплоприем­ника и температурой воды. («Воздушная» температура — это температура воздуха, заключенного между пластиной теплопри­емника и первым верхним прозрачным покрытием. Общий вид температурного поля в поперечном сечении типичного коллекто­ра приведен на рис. 5 51.)

Рабочие характеристики коллектора воздушного типа. Боль­шая часть общего обсуждения характеристик коллектора была направлена скорее на жидкостные, а не на воздушные коллекто-

image206

Температура коллектора минус тем­пература наружного Воздуха, деленное на плотность потока солнечной радаа ции tc ta

Рис 5 46 Обобщенная зависимость между КПД коллектора и рабочими условиями

/ — коллектор с лучшими показателями

2 — коллектор с хорошими показателями

3 — коллектор с худшими показателями

Эффективность коллектора

Рис 5 47 Сравнение эксперименталь ных и теоретических результатов по прототипу базового коллектора фир мы «ППДжи индастриз»

размеры 870X1940 мм — примерно 17 м9 верхнее покрытие прозрачное закаленное стекло «Геркулит» толщиной 3 2 мм теп лоприеміник алюминиевый лист «Ролл Бонд» толщиной 1 5 мм (тип 1100) трубы внутренним диаметром П мм с расстоя нием между центрами 63 5 мм покрытие поверхности теплоприемника «Дюракроп Супер» фирмы «ППДжи индастриз > L/G600 (UC40437) изоляция стекловолок но толщиной 75 мм угол наклона 45° ориентация на юг Гвозд = 20° С скорость ветра 16 км/ч исходные данные расчет полевые данные, cj(A, Вт/ад2 95Q и 950—1030

ры Хотя графики и кривые ча­сто можно экстраполировать на воздушные системы, однако характеристики коллекторов воздушного типа менее пред­сказуемы, чем коллекторов во­дяного типа Трудность выпол­нения инженерных расчетов воздушных систем является од ной из основных причин нежс лания инженеров иметь с ними дело. Эта тема хорошо разби рается в книгах «Тепловые про­цессы с использованием солнеч­ной энергии» Джона Даффи и Уилльяма Бекмана [14] и «Принципы теплопередачи» Фрэнка Крейта Книга «Тепло­вые процессы с использовани­ем солнечной энергии» незаме­нима при определении КПД воздушных коллекторов при заданной плотности потока сол­нечной радиации, расстоянии между прозрачными покрытия­ми, температуре на входе, тем­пературе окружающего возду­ха, скорости потока воздушной массы, отношении ширины воз­духовода к его длине и при данной степени черноты и по­глощательной способности по­верхности теплоприемников.

Пожалуй, наиболее измен­чивым и сравнительно непред­сказуемым аспектом рабочих характеристик коллекторов воздушного типа является теп­лопередача между воздухом и поверхностью теплоприемников различных видов (металличе­ская сетка, сетчатая ткань, ма териалы воздушных фильтров и др ) Также трудным являет­ся инженерное решение комп­ромисса между теплообменом и перепадом давления в кол­лекторе, которое возрастает по

Рис 5 48 Результаты испытаний базового солнечного коллектора фирмы «ППДжи ипдастрпз»

а — эксперимептал! ные результаты испытания в Мельбурне 18 мая 1974 г, 1 — темпера­тура на выходе из коллектора, 2 — температура на входе в коллектор 3 — солнечная радиация 4 — температура окружающей среды скорость теплоносителя 0 75 дм3/мин перепад давления около 1400 П/м2 б — экспериментальные результаты испытания в Мельбурне 20 мая 1974 г скорость теплоносителя 1 5 дмэ/мип перепад давления около 1400 Н/м2 г — экспериментальные результаты испытания в Мельбурне 21 мая 1974 г скорость теплоносителя 1 9 дм’/мин перепад давления около 1400 Н/м2

мере увеличения скорости воздушного потока. В тече­ние этого процесса повы­шается и КПД коллектора, однако степень улучшения характеристик необходимо оценивать относительно уве­личения мощности вентиля тора и расхода энергии, не обходимой для перекачки дополнительного объема воздуха Такой же компро­мисс необходим при расчете аккумулятора тепла, рабо­тающего вместе с коллекто­рами воздушного типа Этот аспект более подробно рас­сматривается в разделе об аккумуляции тепла

Одним из методов озна­комления с рабочими харак­теристиками воздушных коллекторов заключается в обзоре результатов исследо­ваний, выполненных други­ми Клоуз [10] исследовал КПД коллекторов разных конструкций (рис 5 29). В своих расчетах он исхо­дил из того, что коллекторы находятся в горизонталь­ном положении, температу­ра влажного термометра со­ставляет 23° С, скорость ветра равна 8 км/ч и что среднечасовая плотность по­тока солнечной радиации со­ставляет 1820 кДж/м2 на го­ризонтальной поверхности На рис. 5 52 приведены из-

Рис 5 51 Общий вид распределе­ния температуры через коллектор в стационарном режиме [31]

1 — изоляция из стекловаты 2 — тыль ная сторона, 3 — передняя сторона, 4 — температура 5 — средняя 5 — медь. 7 —стекло

рис 5 52 КПД коллекторов при при менении селективных и неселектив­ных покрытий на поверхности тепло приемника, /=500 Вт/м2 ([10]

а __ черная краска б — селективное покры тне as = 0 90 є =* 0,15

Рис 5 53 Эффективность поглощения тепловой энергии солнечного излуче­ния тремя типами коллекторов при двух значениях плотности потока солнечной радиации [101

I, И /Я —типы коллекторов

менения КПД трех типов коллекторов по мере увеличения тем­пературы воздуха в коллекторе На нем также отражен эффект применения селективных покрытий по сравнению с применением черной краски Принятый коэффициент теплопередачи для пло­ской пластины составлял 11 Вт/(м2-град)

Для ряда моделей, включающих различные типы теплопри­емников и разные селективные покрытия, Клоуз построил гра­фик на рис 5 53, использовав наилучшую и иаихудшую модели каждого типа и заштриховав область между двумя граничными линиями согласно типу нагревателя Графики показывают об­щее превосходство нагревателя типа III, особенно при более высоких рабочих температурах (выше 50° С) при наружной тем­пературе 23° С, преимущество этого типа коллекторов незначи­тельно при более низких температурах Наилучший нагреватель типа II имеет несколько лучшие характеристики, чем лучший тип III при температурах ниже 40° С Как указывает Клоуз, это вполне удовлетворительно для сушки некоторых видов зерно­вых, а также для отопления помещений в сравнительно теплом климате Клоуз сжато изобразил свои результаты на рис 5 54,
на котором линии постоянного КПД эффективности работы по­казаны в функции плотности потока солнечной радиации и тем­пературы воздушного потока для наилучшей и наихудшей моде­лей каждого типа.

Бюлоу и Бойд [8] показали, как меняется КПД данного кол­лектора воздушного типа в зависимости от скорости воздушно­го потока и общего коэффициента потерь U, Вт/(м2-град) от воздуха в коллекторе наружу. Для зачерненной плоской метал­лической пластины теплоприемчшка с одним стеклянным покры­тием и воздухом, движущимся с обеих сторон пластины (см. тип II, рис. 5.29), они определили величину U, равную 14 Вт/(м2-град). На рис. 5.55 представлено изменение КЙД коллектора по мере увеличения скорости воздушного потока при

и)

Рис. 5.55. Зависимость между КПД и теплопроизводительностыо при раз­личных скоростях воздушного пото­ка для трех значений коэффициента тепловых потерь [81

плотности потока солнечной радиации 1100 Вт/м2, Также пока­заны кривые для коллекторов с величинами U, равными 5,5 и 0 (теоретически без потерь тепла из коллектора). Отсутствуют указания на конструкцию коллектора для получения величи­ны U, равной 5,5 Вт/(м2-град), но, по-видимому, он имеет два или три верхних покрытия и большое количество изоляции с зад­ней стороны теплоприемника.

Одно из лучших описаний характеристик коллектора в зави­симости от разных поверхностей теплоприемника и покрытий приводится в статье Остина Уиллиера «Окрашенные в черный цвет воздухонагреватели обычной 'конструкции» [43]. В частно­сти, он даст подробные аналитические уравнения, позволяющие сравнивать коллекторы, не прибегая к экспериментам.

Уиллиер подчеркивает важность организации теплообмена между пластиной теплоприемника и воздушным потоком. По сути дела, как это делалось им и Хоттелом раньше, Уиллиер объединил общую величину U, рассматриваемую Бюлоу и Бой­дом, с коэффициентом теплообмена h и получил коэффициент эффективности, обычно обозначаемый в литературе через F';

1

Чем выше величина F', тем более эффективен коллектор.

В табл. 6 отражено влияние коэффициентов теплопередачи на коэффициент эффективности для данного коллектора. Можно видеть, что коэффициент теплопередачи h, равный

Таблица 6. Влияние коэффициента теплопередачи h на коэффициент эффективности улавливания тепла F'

Принятая величина коэффици­ента h

11

17

22

34

46

68

Коэффициент тепловых потерь коллектора 64 = 6,8 Вт/(м2Х Хград) (одно стеклянное по­крытие)

•—~

Коэффициент эффективности

0,625

0,714

0,77

0,833

0,87

0,909

Коэффнциеш тепловых потерь коллектора 64 = 4,5 Вт/(м2Х Хград) (два стеклянных по­крытия)

- -

Коэффициент эффективности

0,714

0,79

0,833

0,882

0,909

0,934

34 Вт/(м2-град) для поглотителя с одинарным стеклянным по­крытием [при U—6,8 Вт/(м2-град)], имеет тот же коэффици­ент эффективности /г^=0,833, что и теплоприемник с более низ­ким коэффициентом теплопередачи, равным 23 Вт/(м2-град), в сочетании с дополнительным покрытием [при U= =4,5 Вт/(м2-град)].

Примечание. Величины U, используемые Уиллиером и Бюлоу, несо­поставимы, поскольку они определены исходя из различных условий.

Уиллиер указывает, что коэффициент теплопередачи, рав­ный 17 Вт/(м2-град), является средним для плоских металличе­ских пластин; шероховатые и текстурированные поверхности имеют намного большие значения h, однако их необходимо со­поставлять с соответствующим увеличением потерь на трение, что требует более мощных вентиляторов для нагнетания возду­ха. Сетчатый экран примерно в три раза увеличивает коэффи­циент теплопередачи на плоской поверхности.

На рис. 5.56 приведен упрощенный график Уиллиера, кото­рый отражает КПД солнечного коллектора по мере изменения плотности потока солнечной радиации и повышения температу­ры воздуха на входе коллектора над температурой окружающе­го воздуха. При этом коэффициент теплопередачи равен 23 Вт/(м2-град), удельная массовая скорость потока воздуха 145 кг/(м2-ч), металл окрашен в черный цвет, скорость ветра составляет 8 км/ч, а температура небосвода принимается на 6° ниже температуры окружающей среды. Для массовых скоро­стей потока воздуха и коэффициентов теплопередачи, отличных от вышеуказанных, величины КПД, получаемые из рис. 5.56, должны умножаться на соответствующий поправочный коэффи­циент, представленный в табл. 7 и 8.

Доновэн и Блисс получили данные, показанные на рис. 5.57, во время своей работы на «Дезерт Грассленд Стейшн». Их кол­лектор состоял из четырех слоев черной сетки с промежутком между слоями 6,5 мм (рис. 5.38). Воздух прокачивался поверх сетки и через нее и поступал обратно в аккумулятор. Чем, хо-

Таблица 7 Поправочные коэффициенты для разных скоростей воздушного потока G (КПД, полученный из рис. 5.56, умножается на указанный поправочный коэффициент) [43]

Количество покрытий

Скорость воздушного потока

кг/(м2

ч)

5

25

50

150

250

500

Без покрытия (а)

0,14

0,57

0,78

1

1,06

1,10

Одно покрытие (b, с, d)

0,26

0,73

0,88

1

1,03

1,05

Два покрытия (е, f, g, h)

0,34

0,79

0,91

1

1,02

1,03

Три покрытия (і, j, k)

0,42

0,84

0,98

1

1,01

1,02

Рис 5 56 КПД обычных солнечных воздухонагревателей с разным числом стеклянных покрытий [42]

7 — без покрытия; 2 — однослойное стеклянное покрытие; 3 — двухслойное стеклянное покрытие, 4 — трехслойное стеклянное покрытие

лоднее был наружный воздух, тем ниже был КПД коллектора; с другой стороны, чем ниже была температура воздуха на вхо­де, тем выше был КПД.

Некоторые из наиболее полных данных по рабочим характе­ристикам коллекторов 'воздушного типа были получены в ре­зультате эксплуатации второго дома Джорджа Лёфа в Денвере. Реальные эксплуатационные данные на 20 ноября 1958 г. пред­ставлены на рис. 5.58. Более общие данные по его плоскому коллектору с пластинами внахлестку (см. рис. 5.38) приводятся на рис. 5.59. Кривые показывают зависимость между общим ко-

Таблица 8 Поправочные коэффициенты для разных коэффициентов теплопередачи Л (КПД, полученный из рис. 5.56, умножается на указанный поправочный коэффициент) [43]

Количество покрытий

Коэффициент теплопередачи

, Вт/(м

■ град)

11

22

34

46

68

92

Без покрытия (а)

0,67

1

1,20

1,33

1,49

1,59

Одно покрытие (о, с, d)

0,80

1

1,09

1,14

1,20

1,23

Два покрытия (е, f, g, ft)

0,85

1

1,06

1,10

1,13

1,15

Три покрытия (г, /, к)

0,88

1

1,04

1,07

1,10

1,11

личеством падающей солнечной радиации и количеством погло­щенного полезного тепла по мере изменения температуры на­ружного воздуха (сплошные липни) и изменения температуры воздуха на входе (штриховые линии). Скорость воздушного по­тока составляет 0,3 м3/мин на 1 м2 коллектора, намного ниже значений 1,2—1,8 м3/(м2-мин), рекомендуемых рядом других проектировщиков солнечных коллекторов. Скорость воздуха че­рез коллектор 0,305 м/с также намного меньше, применяемых Клоузом. Для лодачи ЗО м3/імиін в системе предусмотрен венти­лятор мощностью 0,75 кВт. Действительная скорость воздуха, проходящего через коллектор, обычно имеет большее значение для определения мощности вентилятора, чем действительный объем этого воздуха. В табл. 9 представлена зависимость для данной модели вентилятора между объемным потоком воздуха в куб. м/мин, перепадом давления (статическое давление в мм вод ст.) и мощностью (эффективной).

Бюлоу и Бойд [8] показали, что для достижения наилучших характеристик теплопередачи между коллектором и движущим­ся воздухом расстояние между - пластиной теплоприемника и стеклом или изоляцией должно быть уменьшено, с тем чтобы получить максимально возможный - перепад давления

Размеры коллектора, рабочие характеристики, угол наклона и ориентация. Нелегко предсказать рабочие характеристики сол­нечных коллекторов на весь сезонный период, когда они вклю­чены в систему отопления (или охлаждения). Конечно, предска­зание рабочих характеристик является необходимой предпосыл­кой для определения размеров коллектора. Эта сложная задача постепенно упрощается, однако условия данного местоположе­ния, потребность здания в отоплении (или охлаждении), конст­рукция системы кондиционирования помещений и определенные конструктивные варианты, такие, как рабочая температура кол­лектора, угол наклона и ориентация, влияют на сезонные рабо­чие характеристики данного коллектора

Например, следует иметь в виду, что удвоение размеров кол­лектора необязательно в два раза увеличивает количество по­лезно поглощенного тепла. В общем виде это проиллюстрировц-

Рис 5 59 Рабочие характеристики солнечного воздухонагревателя с пласти­нами внахлестку — сплошные линии показывают количество тепла, поглощен­ного при разной плотности потока солнечной радиации (на наклонной по­верхности) и средних (за сутки) температурах окружающего воздуха четырех­секционным коллектором с одним покрытием из стекла с низкой отражатель­ной способностью. Скорость воздушного потока составляет 0,5 м3/(м2-мин). Штриховые линии показывают количество тепла, поглощенное при разных средних температурах воздуха на выходе в рабочие часы [26]

Таблица 9. Таблица в помощь определению параметров вентиляторов Вентиляторы, Тип: Лау FGP10-6A

Рабочие характеристики. Для воздуха в нормальных условиях 1,2 кг/м3; эффективная мощность не включает потери на при­вод; технические характеристики даны для вентиляторов FGP с выпускным каналом.

FGP10-6A

Диаметр колеса 270 мм; площадь выходного отверстия 0,6 м2; окружная скорость воздушного винта 278 об/мин; ско­рость на выходе 17,8 м3

м8

мин

Статическое давление, мм-вод. ст.

12,7

15

*8

19

22,2

28,4

31,7

38

44

50,1

об

мнн

t-

РЭ

х

•в* . •в* к « а­о s

об

мин

эфф

мощи. кВт

об

мин

эфф

мощи .кВт

об

мин

I эфф мощи. кВт

об

мин

эфф

мощи. кВт

°б

мин

эфф

мощи. кВт

ю] 5

°! I

эфф

мощи. кВт

об

^ МИН

X

S,

S

л 3 о 2

об

мин

эфф

мощи. кВт

17

717

0,06

792

0,07

863

0,09

932

0,09

20

742

0,07

808

0,08

873

0,1

936

0,12

997

0,13

1115

0,16

23

774

0,09

835

0,11

892

0,12

950

0,14

1007

0,15

1116

0,19

1220

0,22

25

807

0,12

867

0,13

922

0,15

974

0,17

1025

0,18

1126

0,22

1225

0,26

1318

0,3

1410

0,33

28

842

0,15

900

0,16

954

0,18

1005

0,2

1052

0,22

1145

0,25

1236

0,29

1325

0,33

1411

0,38

31

879

0,18

935

0,2

987

0,22

1037

0,23

1084

0,26

1171

0,3

1255

0,33

1338

0,38

1420

0,43

34

.917

0,21

971

0,24

1023

0,26

1071

0,28

1116

0,3

1202

0,35

1281

0,38

1358

0,43

1435

0,43

37

956

0,26

1009

0,28

1054

0,3

1106

0,33

1234

0,4

1313

0,44

1313

0,44

1385

0,49

1456

0,53

39

998

0,31

1041

0,33

1096

0,35

1142

0,38

1186

0,41

1267

0,46

1344

0,51

1416

0,56

1484

0,61

43

1041

0,36

1088

0,4

1135

0,42

1179

0,44

1222

0,47

1305

0,53

1376

0,58

1448

0,63

1515

0,68

45

1085

0,43

ИЗО

0,46

1175

0,48

1218

0,51

1259

0,54

1338

0,6

1414

0,65

1480

0,71

1547

0,77

48

ИЗО

0,5

1174

0,53

1216

0,56

1257

0,59

1298

0,61

1375

0,68

1448

0,74

1516

0.8J

1579

0,86

51

1175

0,58

1218

0,61

1258

0,64

1298

0,67

1337

0,7

1412

0,76

1483

0,83

54

1221

0,67

1263

0,7

*1302

0,73

1340

0,77

1378

0,8

1451

0,86

57

1268

0,77

1308

0,8

1347

0,83

1384

0,86

1420

0,9

Авторское право 1974 г. «Лау индастриз». Использовано с разрешения фирмы «Лау индастриз».

1 — отопительная нагрузка здания; 2 — половина общей нагрузки покрывается коллек­тором площадью 45 м2

Площадь коллектора, м2

Общее количество тепла, приходящееся на 1 м2 коллектора, тыс. кДж

180

490

135

650

90

800

45

930

но на рис. 5.60. Тепловая нагрузка здания, приведенная на ри­сунке, относится к дому, который требует расхода 12 650 кДж на 1 град-день, или общая потребность в отоплении составляет

88,5 млн. кДж для условий в 7000 град-дней.

Средняя полезная теплоотдача коллектора принимается рав­ной 3975 кДж на 1 м2 коллектора в сутки или всего около 930 тыс. кДж/м2 за семимесячный отопительный сезон. Коллектор площадью 45 м обеспечит, таким образом, половину потребно­сти в отоплении в 88,5 млн. кДж.

Рисунок 5.60 показывает, что удвоение размеров коллектора до 90 м2 не обеспечивает 100%-ного покрытия отопительной на­грузки, как это можно было предполагать; вместо этого обеспе­чивается только около трех четвертей нагрузки. Кроме того, полезное улавливание тепла на 1 м2 поверхности коллектора снижается с 930 тыс. до 800 тыс. кДж.

Остин Уиллиер выполнил более полный расчет четвертого солнечного дома в Массачусетском технологическом институте. Он сначала определил полезную теплопроизводительность сол­нечного коллектора за каждый месяц. Эти результаты, приве­денные в табл. 10, предполагают, что коллектор находился в Бостоне на широте 42° с. ш. с углом наклона 55° к горизонтали и с ориентацией на юг. На коллекторе были установлены два стеклянных покрытия, а расход воды составлял ЗО кг/ч на 1 м2

Июль

Август

Сен

тябрь

Ок­

тябрь

Ноябрь

Де

кабрь

Январь

Февраль

Март

Апрель

Май

Июнь

Всего

Расчетная температура водо проводной воды, °С

18,5

18,5

15,5

13

10

7,5

4,5

4,5

7

10

13

15,5

Тепло, требуемое для горячего водоснабжения, 10° кДж, мес

24,6

24,6

25,3

27,8

28,5

31,1

32,7

29,5

31,1

28,5

27,8

25,3

337,6

Градусо-день, °С

4,4

14,4

67

217

384

600

663

595

471

325

149

35

3547

Отопление здания, 10° кДж/мес

1,58

5,27

24,7

47,4

77,2

109,5

121

108,6

98,7

71,2

54,5

12,7

733

Полная теплопотребность, 105 кДж/сут

0,84

0,96

1,66

2,43

3,41

4,5

4,95

4,93

4,18

3,32

2,65

1,26

2,93

Принятая среднесуточная тем­пература наружного воздуха,

24

21

18

12

6

1,5

—1

—0,5

2,5

8

14,5

20

Принятая средняя температура аккумулятора, °С

60

60

55

50

43

38

38

38

40

43

50

55

Расчетное количество поглощен ной солнечной энергии, кДж/(м2 сут)

5314

6438

6438

6438

5416

5416

4701

6438

7154

6438

5314

5314

Потребная площадь солнечного колектора для полного отопле­ния при наличии совершенной неограниченной по объему ак­кумулирующей системы, м2

16

15

26

38

63

83

105

76

58

52

50

24

Таблица 10 Расчетная месячная потребность в тепле и выходная для дома IV Массачусетского технологического института

мощность солнечного коллектора

коллектора Средняя дневная температура наружного воздуха вычислялась путем сложения семи десятых средней максималь­ной суточной температуры и трех десятых средней минимальной суточной температуры (Получается примерно та же величина, что и при сложении половины средней суточной температуры и половины средней максимальной суточной температуры )

Площадь коллектора, которая будет необходима в данный месяц, чтобы полностью удовлетворить потребность дома в отоп­лении, приведена в таблице Емкость аккумулятора тепла при­нимают неограниченной, а потери тепла из аккумулятора — пре­небрежимо малыми Однако из-за реальных ограничений разме­ров аккумулятора и потери тепла из него даже коллектор пло­щадью 100 м2 потребует использования вспомогательного источ­ника тепла в период с декабря по февраль В табл 11 эти огра­ничения приняты в расчет Показана доля потребности в отопле­нии, которая удовлетворяется вспомогательной дублирующей системой теплоснабжения Ограничение, налагаемое тепловым аккумулятором в течение долгих периодов облачной погоды, яв­ляется основной причиной привлечения дополнительного тепла вспомогательного энергоисточника

На рис 5 61 графически представлен годовой процент ото­пительной нагрузки, который обеспечивается вспомогательными источниками тепла (см последнюю колонку в таблице 11) Кол­лектор площадью 110 м2 обеспечит 97,5% нагрузки, коллектор половинного размера (55 м2) покроет 80%, а небольшой коллек­тор (18 м2) —только 36%

По мере увеличения размеров коллектора количество энер­гии, поставляемое каждым квадратным метром, уменьшается из-за снижения коэффициента нагрузки на каждый дополни­тельный квадратный метр Видоизмененный график Унллиера представлен на рис 5 62 Как и на рис 5 60, где показано, что коллектор площадью 46 м2 может дать 930 000 кДж/год на 1 м2 коллектора, а коллектор площадью 185 м2 — только 477 000 кДж/(м2-год), из этого рисунка также следует, что го­довая отдача коллектора пло­щадью 30 м2 (для другого до - а ^ ма) составляет 90% на 1 м2% ' в то время как теплоотдача коллектора в ПО м2 - 45%

Одним из факторов, оказы­вающих наибольшее влияние на

Рис 5 61 Влияние площади коллек­тора на потребность в дополнитель ном источнике тепла [40]

Рис 5 63 Влияние угла наклона на плотность падающей радиации

1 — солнечная радиация, 800 Вт/м2; 2 — плоская пластина, ориентированная перпендикулярно солнечным лучам. 3 — наклонная плоскость

показано, что количество энер­гии, полученное поверхностью, будет наибольшим, если поверх­ность обращена строго на юг. Как правило, плоские коллекторы закрепляются в неподвижном положении и не поворачиваются за солнцем («не следят» за ним) с тем, чтобы максимально воспринимать облучение круглый, год. Хотя в направлении пово­ротных коллекторов ведутся работы, однако полученная кол­лектором дополнительная энергия обычно слишком мала, чтобы компенсировать увеличение затрат.

Оптимальные ориентации и углы наклона можно определить, но чаще всего проектировщики задают вопросы такого характе­ра: насколько я могу отклониться от направления строго на юг и каково будет уменьшение КПД коллектора; насколько я могу отойти от оптимального угла наклона и какова потеря КПД в результате этого?

Отклонения от направления строго на юг встречаются реже, чем от оптимальною угла наклона. Однако задача первых сол­нечных объектов, построенных много лет назад, заключалась в том, чтобы показать степень использования солнечной энергии; отклонения от оптимальных величин были редкими. Хотя спра­ведливо то, что небольшие отклонения от оптимума могут не иметь решающего значения, тем не менее их нельзя игнориро­вать как жизнеспособный метод повышения совместимости кол­лекторов и зданий.

Хотя большинство специалистов, занимающихся солнечной энергией, считают, что оптимальной ориентацией будет направ­ление строго на юг, нередко выбирают направление на юго-за­пад из-за возможных утренних туманов, которые снижают эф­фективное облучение коллектора солнечной радиацией, а также
из-за более высоких температур окружающей среды после полу­дня, благодаря чему увеличивается КПД коллектора Большей частью отклонения от оптимума на 15—20° вызывают сравни­тельно небольшое уменьшение производительности коллектора. На рис. 5 64 проиллюстрировано изменение угла падения сол­нечных лучей на вертикальную, обращенную на юг поверхность по мере изменения ориентации Представленный на графике период времени приходится на 21 ноября — 21 января в полосе широт с 30 по 45° с. ш

На рис. 5.65 и 5 66 иллюстрируется значение ориентации для определенных местоположений. На обоих рисунках показаны плоскости вертикальных коллекторов, обеспечивающих 50% по­требности в отоплении в январе для дома площадью 100 м2, ко­торый теряет 9500 кДж на 1 град-день в Бостоне (рис. 5.65) и 1450 кДж на 1 град-день в Чарльстоне. Следует отметить, что отклонения на юго-запад (или юго-восток) требуют увеличения площади коллектора только на 10% в Бостоне и на 30% в Чарльстоне. Размеры наклонных поверхностей в меньшей степе­ни зависят от ориентации

На рис. 5 67 представлен график изменения прихода солнеч­ной радиации за год от широты и ориентации поверхности до 45° от направления строго на юг. Чем ближе местоположение коллектора к экватору, тем меньшее значение имеет ориентация.

Оптимальный угол наклона зависит от назначения коллекто­ра. Это назначение определяется сезоном использования, а по­этому угол наклона в основном определяется высотой и азиму­том Солнца. Коллекторы, предназначенные для зимнего отопле­ния, должны иметь более крутой наклон, чем коллекторы, пред­назначенные для охлаждения здания в летние месяцы. Если кол­лектор будет эксплуатироваться круглый год, например для (приготовления горячей воды, то должен выбираться компро­миссный угол в соответствии с условиями его работы при разных условиях по сезону солнечного облучения Однако в тех местах,

Рис 5.64. Изменение плотности радиации на вертикальных стенах в зависимости от их ори­ентации в период между 21 ноября и 21 января (широты 30—45° с ш ) [331

Рис 5 65 Увеличение требуемой площади вертикального коллектора в про­центах по мере отклонения ориентации стены строго на юг для Бостона, шт. Массачусетс [33]

показанные коллекторы имеют размеры, обеспечивающие 50% потребности в отоплении в декабре и январе (2070 град дней) для дома площадью 100 м2; дом имеет изоляцию на стандартном уровне [54 Вт/(м2 • град-день)], a — поступление радиации на вертикальную поверхность {по Лоршу и Нийоги, 1971), I — февраль, март, 2 — декабрь, январь, 3 — апрель, 4 — май, июнь

Рис 5 66 Увеличение требуемой площади вертикального коллектора, %, в за­висимости от отклонения ориентации стены строго на юг для Чарльстона, шт. Южная Каролина [39]

показанные коллекторы имеют размеры, обеспечивающие 50% потребности в отоплении в декабре и январе (960 град дней) для дома площадью 100 м2 [дом имеет изоляцию на стандартном уровне 275 кДж/(м2 • град день), а — поступление радиации на вертикаль­ную поверхность (по Лоршу и Нийоги, 1971), / — февраль, 2 — декабрь, январь, 5 —март 4 — апрель, 5 — май, 6 — июнь
где потребность в отоплении и потребность в охлаждении не Сбалансированы, необходим более конкретный расчет с тем, что­бы выбранный угол наклона был соответствующим образом сме­щен в сторону большей из двух потребностей.

Прежде чем перейти к рассмотрению оптимальных углов наклона, обратимся к рис. 5.68, выполненному Лоуренсом Ан­дерсоном, председателем группы по изучению солнечной энергии в Массачусетском технологическом институте в 50-х годах. Он представил поверхность с определенным наклоном через другую поверхность, касательную к земному шару в точке южной широ­ты от северной широты Ф минус угол наклона коллектора (3. Найдя величину плотности солнечной радиации па горизонталь­ной поверхности в южных широтах Ф и высоту р, можно опреде­лить плотность потока излучения на поверхности с углом накло­на р на северной широте Ф.

На рис. 5.69 представлен приблизительный оптимальный угол наклона в зависимости от широты и климата. Линия, обо­значенная цифрой 1, соответствует оптимальному углу для мак­симальной плотности радиации летом примерно под углом ши­роты минус 15°. Для круглогодичной максимальной облученно­сти, представленной линией 2, угол широты является оптималь­ным. Угол широты плюс 15° является оптимальным для облуче­ния коллектора солнцем зимой.

В течение года величина общего прихода в сутки солнечной радиации для разных углов наклона коллектора разная. На рис. 5.70 приведены эти значения для ясных дней на 40° с. ш.; условия облачности не учитываются. Очевидна огромная разни­ца между приходом солнечной радиации на вертикальную и го­ризонтальную поверхности; плотность потока солнечной радиа­ции на вертикальных поверхностях достигает пика в зимние ме­сяцы и резко падает летом. Положение коллектора в этом слу­чае более точно отвечает потребностям в отоплении, при этом он легко затеняется, когда не эксплуатируется в летние месяцы. Горизонтальная поверхность на 40° с. ш. не получает почти ни­какого облучения зимой, и наоборот получает огромное его ко­личество летом. На самом деле, если учитывать отражательную способность Земли и условия тумана, то сравнительные харак­теристики вертикального коллектора даже еще лучше представ­ленных здесь. Действительно, его зимние характеристики могут превзойти показатели при оптимальном угле наклона, равном градусу широты плюс 15°.

Особенно восприимчивы к отражению лучистой энергии от поверхности земли вертикальные коллекторы. Было установле­но, что чистый, свежевыпавший снег имеет наибольший коэффи­циент отражения (0,87) из всех природных поверхностей [2] и может увеличить отдачу коллекторов на 15—30%. Другими по­тенциальными рефлекторами являются асфальт, гравий и бетон, которые имеют отражательные способности соответственно 10,

12—15 и 21—33%. Яркая зеленая трава отражает 20 и 30% при углах падения соответственно 30 и 65° [2].

На рис. 5.71 и 5.72 показано, как зависит размер коллекто­ров, обеспечивающих 50% отопительной нагрузки в январе в Миннеаполисе и Финиксе, от угла наклона. Коллекторы показа­ны размещенными на крышах тех же типичных домов, которые изображены на рис. 5.65 и 5.66. Дом размером 7,5 на 12 м ори­ентирован своей длинной осью в 'направлении восток — запад, так что длина показанных коллекторов составляет 12 м. Кривые демонстрируют сравнительно небольшие различия в размерах

I ti III IV V VI VII VIII IX X XI XII Суммарная радиация на. 21-й день каждого месяца Рис. 5.70. Полная дневная инсоляция на 40° с. ш. [2]

1 — облучение солнечной радиацией «следящей» за солнцем поверхности на 40° с. ш.; 2 — суммарная радиация на горизонтальной поверхности; 3 — вертикальная обращенная нз юг поверхность; температура поверхности ^а; степень черноты поверхности равна 1

при разных углах наклона. По данным прикладных последова­ний Тибу и Лёфа [28] на рис. 5.73 приведены кривые для опти­мального угла наклона в Бостоне, Альбукерке и Санта-Мария, когда коллекторы применяются только для отопления зимой. Во всех случаях оптимальным является наклон коллектора на угол, равный градусу широты плюс 15° при весьма малых откло­нениях для других углов. Совместное влияние угла наклона и ориентации представлено на рис. 5.74 и 5.75, подготовленных Оллкатом и Хупером [1] для Торонто, Канада, 43° с. ш. їв пери­од шести зимних месяцев. Первый рисунок показывает, что для наклонов 50—70° отклонение по ориентации на 20° на восток или запад создает незначительные потери при поступлении на коллектор прямой солнечной радиации. Аналогичные данные со-

Держатся па втором рисунке. Хотя колебания прямой солнечной радиации могут сначала показаться довольно значительными, на самом деле это не так, поскольку они преувеличены значе­ниями координат кривых и различия довольно малы. Например, показано, что обращенный прямо на юг коллектор, имеющий на­клон 60° от горизонтали, имеет наибольшее поступление солнеч­ной энергии. Отклонение на 20° на восток и наклон 50° дают лишь 5%-ное уменьшение угла падения солнечных лучей (48,3 млп. против 45,5 млн. кДж на 1 м2 коллектора за шести­месячный период).

Проектированию солнечных энергетических установок меша­ют трудности, связанные с трудностями предсказания энергоот­дачи солнечных коллекторов в разных местоположениях. Ниже - лредлагаемый метод полностью не решает этой проблемы, он находится где-то посередине между областью догадок и точным инженерным расчетом, вроде предложенного Лиу и Джорданом в издании Американского общества инженеров по отоплению, холодильной технике н кондиционированию воздуха «Низкотем­пературное инженерное применение солнечной энергии» (1957 г.). Этот метод определения эффективности улавливания солнечного тепла, по-видимому, точен с ошибкой 20%, давая в результате несколько заниженные цифры.

Основные положения метода расчета приводятся ниже. Харак­теристики системы солнечного теплоснабжения для Бостона даны в табл. 12.

Число часов солнечного сияния для данной местности скла­дывается из месячных данных (см. раздел «Солнечная радиа-

Рис. 5.75. Изменение прихода пря­мой солнечной радиации в зави­симости от отклонения ориентации к востоку или к западу (величины даны для Торонто, Канада) [1]

дня»). Продолжительность дня для каждого месяца определя­лась из календарей дли из табл. 13. Затем делались ссылки на графики «уровни солнечного облучения», построенные Морри­соном и Фарбером для Американского общества инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию возду­ха. Они воспроизводятся в разделе «Солнечная радиация». Ча­совые значения прихода солнечной радиации располагаются по месяцам (месяцы, используемые для определения энсргоотдачи коллекторов в отопительный сезон, должны ограничиваться теми, в которых в среднем имеется 100 и более град-дней), и по определенным углам наклона, подлежащим вычислению. Толь-

_

8

8

8,5

8

8,5

8

8

8

6,5

8 (—)

6,5

® (—)

6,5

7

8

7

7

8

7

7

8(+)

7

7

8(+)

7

7

8

7

7

8

8,5

9

9

8,5

8,5

8,5

8,5

8,5

8,5

8,5

8

8

6,5

4,5

2

6,5

4,5

2

Угол наклона:

30°

40°

60°

60е

90°

90° + отражение от снега 20%

Суммы

средних

значений

Сентябрь

Октябрь

Ноябрь

Декабрь

Январь

Февраль

Март

Апрель

Май

5. Количество часов работы коллектора в месяц (Зт-2) XI

Угол наклона:

1196

155

151

106

101

104

122

150

144

163

30°

1196

164

151

106

109

104

122

150

136

154

40°

1196

164

151

106

109

104

122

150

136

154

50°

1170

155

151

106

109

104

122

150

128

145

60°

942

127

151

106

109

104

122

115

72

36

90°

942

127

151

106

109

104

122

115

72

36

90° + отражение снега 20%

6. Среднечасовой приход радиации, кДж/м2 за 1 ч

Угол наклона:

2895

2600

2452

2170

2690

2714

2839

2623

2793

30°

2748

2725

2645

2500

2690

2839

3009

2793

2691

40°

_

2691

2760

2782

2657

2827

2975

2816

2623

2441

50°

2725

2725

2827

2736

2873

2929

2680

2452

2191

60°

953

2300

2475

2486

2539

2237

1896

1419

1260

90°

-- --

2340

2760

2960

2986

3032

2691

2271

1703

1510

90° + отражение от снега 20%

7.

Температура воздуха

23

17

11

4

3

3

7

13

20

Нормальная дневная

максимальная

18

13

7

1

—1

— 1

3

9

15

Нормальная дневная средняя

21

15

9

3

1

1

6

11

18

7 а + 7Ь/2

8. Средняя разность температур коллектора и воздуха (температураколлектора) 7°

Температура коллектора:

11

17

23

29

31

27

27

21

14

32° С

28

34

39

46

48

48

43

38

31

49° С

39

45

51

57

59

59

54

49

42

60° С

Суммы

і

средних

значений

Сентябрь

Октябрь

Ноябрь

Декабрь

Январь

Февраль 1

Март

Апрель

9. Среднечасовое количество поглощенного тепла, кДж/м2 за 1 ч (из графиков)

1589

1476

1476

Температура коллектопа:

1362

1362

1362

1362

1305

1192

32° С, наклон 60°

1305

1487

1533

1476

1419

1419

1078

794

794

32° С, наклон с уче­том отражения от снега 90°

1362

1192

1192

1022

1078

1078

1048

1078

965

49° С, наклон 60°

1135

1203

1249

1192

1135

1135

851

511

567

49° С, наклон с уче­том отражения от снега 90°

1192

965

965

851

851

851

851

908

738

60° С, наклон 60°

908

976

1022

965

908

908

567

340

340

60° С, наклон с уче­том отражения от снега 90°

10. Среднемесячное количество поглощенного солнечного тепла,

кДж/м2 за 1 мес

(9X5)

1 626 800

246 400

222 920

156 480

148 530

141 720

166 250

204 400

167 160

172 895

Температура коллектора: 32° С, наклон 60°

1 244 742

165 970

224 630

162 500

160 914

147 628

173 179

124 060

57 234

28 617

32° С, наклон с уче­том отражения от снега 90°

1 312 753

211200

180 049

126 390

111 402

112 197

131 616

161 820

138 080

139 962

49° С, наклон 60°

1 000 191

144 200

181 764

132 410

129 969

118 102

138 543

97 945

36 790

20 440

49° С, наклон с уче­том отражения от снега 90°

1 069 280

184 800

145 754

102 317

92 835

88 576

103 907

127 750

116 280

106 900

49° С, наклон 60°

783 802

115 576

147 469

108 330

105 213

94 481

110 834

65 297

24 528

12 264

49° С, наклон с уче­том отражения от снега 90°

Всего

Сентябрь

Октябрь

Ноябрь

Декабрь

Январь

Февраль

Март

Апрель

Май

Таблица 13. Продолжительность дня в северных широтах (в часах и минутах на 15-е число каждого месяца)

Месяц

Широта

10°

20°

30°

40°

50°

60°

70°

80°

90°

Январь

12,07

11,35

11,02

10,24

9,37

8,30

6,38

0,00

0,00

0.00

Февраль

12,07

11.49

11,21

11,10

10,42

10,07

9,11

7,20

0,00

0,00

Март

12,07

12,04

12,00

11,57

11,53

11,48

11,41

11,28

10,52

0,00

Апрель

12,07

12,21

12,36

12,53

13,14

13,44

14,31

16,06

24,00

24,00

Май

12,07

12,34

13,04

13,38

14,22

15,22

17,04

22,13

24,00

24,00

Июнь

12,07

12,42

13,20

14,04

15,00

16,21

18,49

24,00

24,00

24,00

Июль

12,07

12,40

13,16

13,56

14,49

15,38

17,31

24,00

24,00

24,00

Август

12,07

12,28

12,50

13,16

13,48

14,33

15,46

18,26

24,00

24,00

Сентябрь

12,07

12,12

12,17

12,23

12,31

12,42

13,00

13,34

15,16

24,00

Октябрь

12,07

11,55

11,42

11,28

11,10

10,47

10,11

9,03

5,10

0,00

Ноябрь

12,07

11,40

11,12

10,40

10,01

9,06

7,36

3,06

0,00

0,00

Декабрь

12,07

11,32

10,56

10,14

9,20

8,05

5,54

0,00

0,00

0,00

ко те часы учитываются, в течение которых происходит полез­ное поглощение тепла и в течение которых регистрируется сред­няя плотность потока солнечной радиации, равная не менее 300 Вт/м2. Это обычно бывает в средние две четверти дня. Одна­ко для плотностей потока солнечной радиации 300—500 Вт/м9 должно регистрироваться получасовое поглощение тепла; для радиации выше 500 Вт/м2 регистрация должна проводиться в те­чение часа.

Продолжительность работы коллектора в течение дня, когда поступает 100 кДж или более, зависит от угла наклона. Изме­нение будет наименьшим в середине зимы и наибольшим весной и осенью. Необходимо отметить количество часов полезного по­глощения тепла за каждый месяц и по каждому рассматривае­мому углу наклона.

Суммарное дневное поступление солнечной радиации (в яс­ную погоду) определяется путем сложения часовой интенсивно­сти в таблицах Американского общества инженеров по отопле­нию, холодильной технике и кондиционированию воздуха, соот­ветствующей дневным часам полезного сияния. Чтобы получить количество часов за месяц, которые являются солнечными в пе­риод полезной работы коллектора, количество часов полезного поглощения в день делят на нормальную продолжительность дня и умножают на общее количество часов сияния в месяц.

Суммарное дневное поступление радиации в солнечную по­году делится на количество часов полезного поглощения коллек­тором тепла в день, чтобы получить часовые значения поступле­ния солнечной энергии за период работы коллектора. Эю число является средней величиной плотности потока солнечной радиа­ции во время функционирования коллектора; на кривых рабо­чих характеристик эта величина приводится вместе с разностью между рабочей температурой коллектора и средней температу­рой окружающей среды в период работы коллектора,

Чтобы определить эту разность температур, необходимо най­ти среднюю температуру окружающей среды в течение рабочего цикла коллектора. Средняя температура наружного воздуха в часы работы коллектора определяется приближенно путем вы­вода средней из этих двух температур.

Затем требуется определить рабочую температуру коллекто­ра. Она зависит от многих параметров, например скорости по­тока іеплопосителя, размеров аккумулятора, которые в свою очередь могут до некоторой степени уточняться, если выбрана рабочая температура коллектора. Вообще, чем выше скорость потока теплоносителя и чем больше размер аккумулятора, тем ниже рабочая темпера і ура Можно выбрать диапазон темпера­тур, чтобы показать влияние рабочей температуры на относи­тельные общие рабочие характеристики.

Средняя температура наружного воздуха во время работы коллектора вычитается из данной рабочей температуры коллек­тора, чтобы получить дифференциальную температуру. Затем производится сверка по кривой рабочих характеристик для ис­пользуемою коллектора. Примеры таких кривых даны на рис. 5.76, эти графики построены фирмой «Ревер коппер энд брасс компани». Нижний левый график можно применять с до­статочной точностью для коллекторов с хорошими и средними рабочими характеристиками.

Разность температур (между коллектором и окружающим воздухом в течение данного месяца отыскивается внизу в левой части графика. От этой точки двигаемся по вертикали до кривой или аппроксимации кривой, которая соответствует вышенайден - кой средней часовой инсоляции. Движение влево дает средний КПД; эта величина приводится лишь для информации. Движе­ние вправо дает пересечение в правой части графика с кривой, отражающей ту же интенсивность инсоляции. Опустившись по вертикали вниз, прочтем среднюю выходную мощность коллек­тора в кДж/1 (м2-ч).

Затем эта средняя часовая солнечная радиация на 1 м2 умно­жается на количество часов сияния в данном месяце.

При любом наклоне общую величину поглощенного тепла на 1 м2 в течение отопительного и охлаждающего сезона можно най­ти путем сложения величин по соответствующим месяцам. Опти­мальный наклон там, где сумма будет наибольшей. Конечно, и другие обстоятельства (влияют на наклон коллектора: тип кол­лектора, совместимость наклона с конструкцией здания, относи­тельные затраты на строительство (например, вертикальный коллектор построить дешевле и он более доступен при обслужи­вании) .

В прилагаемой таблице показано, как действует этот деталь­но разработанный, но сравнительно простой расчет. Таблица 14 составлена для Бостона (примерно 40° с. ш,). Для расчета выбраны углы наклона 30, 40, 50, 60, 90 (вертикально) и 90° с

Рис. 5.76. Обобщенные кривые рабочих характеристик для четырех типов коллекторов

I — параметры солнечной энергетической установки: 3 трубы на панель шириной 0,6 м; одинарное стеклянное по­крытие; II — параметры солнечной энергетической установки: 4 трубы на панель шириной 0,6 м; о — плотность потока солнечного излучения, Вт/м2; двойное стеклянное покрытие (приведенные данные относятся к системе нагрева воды)

Всего или в среднем

Сентябрь

Октябрь

Ноябрь

Декабрь

Январь

Февраль

Март

Апрель

Май

11

. Среднемесячное количество поглощенного тепла[5], кДж/м2

1 480 879

246 400

203 700

149 100

134 900

134 900

152 600

192 100

193 280

208 666

12. Количество градусо-дней в месяц

3126

54

176

335

546

604

540

470

285

116

13. Величина тепловых потерь здания в месяц: 12Х(кДж/град-день)[6] [7]

10157x10*

176x10*

570х10*

1088x10*

1774x10*

1964x10*

1753х Ю*

1527X10*

925x10*

376x10*

14. Количество поглощенного солнечного

тепла: 24 м2*

**Хп. И

6623 x10і

1010хЮ*| 836x10*

612x10*

552ХЮ*

552x10*

625x10*

788хЮ*

792x10*

855хЮ*

15. Тепловые потери,

не покрываемые солнечной энергией (п. 13) — (п. 14)

5111x10*

ОхЮ*

0X10*

477X10*

1221x10*

1411x10*

1128хЮ*

739x10*

133x10*

ОхЮ*

16. Тепловые потерн, покрываемые солнечной энергией (гг. 13)—(п. 15)

5046 х Ю*

176x10*

570x10*

612ХЮ* j

553ХЮ* I

553ХЮ*

625 X Ю*

788хЮ* |

792x10*

376хЮ*

Таблица 14

Местоположение: Бостон; широта: 42°; средняя рабочая температура коллекто­ра*: 32° С

17. Процент тепловых потерь, покрываемых солнечной энергией (п. 16)—(п. 13)

50 | 100 | 100 | 56 | 31 | 28 | 36 I 52 | 86 | 100

Повторите строки с 14 по 17, пока не будет достигнут требуемый процент тепловых потерь, покрываемый за счет сол­нечной энергии.

добавлением 20% на отражение снега. КПД коллектора и вы­ходная мощность сравниваются для рабочих температур, со­ставляющих в среднем около 35, 50 и 60° С.

Вообще, чем больше процент отопительной нагрузки обеспе­чивается коллектором, тем труднее определить его размеры при помощи упрощенных методов Однако для коллекторов, обеспе­чивающих 60% или меньше потребности в отоплении, обычно можно выполнить простые приближения размеров

Предположим, что коллектор должен обеспечить 50% по­требности в отоплении Можно видеть, что если коллектор опре­деленных размеров рассчитан на удовлетворение половины ото­пительной нагрузки в апреле, то для удовлетворения половинной нагрузки в январе он должен быть намного больше Расчет раз­мерных параметров коллектора на основе средней потребности за юц может создать такое положение, когда коллектор будет иметь слишком большую теплопроизводительность ранней осенью и поздней весной и слишком малую в середине зимы

После того как найдено общее количество поглощенной сол­нечной энергии на 1 м2, выбраны угол наклона и рабочая темпе ратура, следует указать количество градусо-дней по месяцам Затем определяются тепловые потери здания в кДж на 1 град-день. Чтобы получить месячную потребность в отопле­нии, нужно умножить количество градусо-дней їв этом месяце на потерю тепла зданием на 1 град-день

Далее складываются месячные потери тепла, чтобы полу­чить общие сезонные потери тепла (строка 13). Полученный итог делится на сумму помесячного количества поглощенного тепла (стр. 11); 50—60% от полученного результата дают первое при­ближение размеров коллектора при 50%-ных сезонных потерях тепла.

Эти приблизительные размеры коллектора умножаются на каждое из значений помесячного поглощения солнечного тепла. Каждый результат вычисляется из соответствующих помесячных тепловых потерь здания (отрицательные величины должны за­писываться как 0). Полученные величины отражают гу часть каждой из помесячных тепловых потерь, которые покрываются не солнечной энергией, а дублирующей системой. Количество килоджоулей, обеспечиваемых коллектором, определяется пу­тем вычитания величины в стр. 15 из помесячных тепловых по­терь здания в стр. 13

Общие потери тепла зданием, покрываемые солнечной энер­гией, делятся на помесячную потерю тепла в стр. 13, в резуль­тате получается процент тепловых потерь, покрываемых солнеч­ной энергией. Если этот процент недостаточно близок к 50% или какому-либо другому требуемому значению, то необходимо вы­полнить уточнения в исходном приближении и повторить расчет строк с 14 до 17. Строка 16, потеря тепла, обеспечиваемая сол­нечной энергией, является «полезной» выходной мощностью коллектора; ее можно использовать для определения количест­ва энергии, которую дает коллектор.

Окончательный размер коллектора будет зависеть не только о г потребности и отоплении, но и от таких факторов, как режим потребления горячей воды для хозяйственных нужд, поступле­ние солнечного тепла через окна в сочетании с соответствую­щей теплоаккумулирующей массой дома, строительная про­грамма и проектные ограничения, экономическая рентабель­ность, выбор других источников снабжения энергией и конечная эффективность всей системы солнечного теплоснабжения.

Помимо задач отопления здесь можно рассматривать две другие важные возможности. Прежде всего площадь поверхно­сти коллектора можно увеличить, чтобы получить энергию, не­обходимую для приготовления горячей воды. Необходимое в этом случае приращение количества килоджоулей определяется путем умножения суточного расхода горячей воды на удельную теплоемкость в Дж/кг на градус повышения температуры, умно­жения на повышение средней температуры воды, обеспечивае­мое солнечным коллектором Если температура воды обычно повышается от 10° (скажем, температура воды из колодца) до 50° С (температура использования), то на основе среднегодовых показателей молено легко установить размерные параметры коллектора, чтобы он покрывал половину разности температур при среднегодовых условиях сияния 50%- Солнечная энергия легко удовлетворит спрос более чем наполовину в таких южных районах, как Майами или Финикс Достаточно высокие средне­годовые температуры наружного воздуха также обеспечат более высокий процент общей отопительной нагрузки.

Если бак подогрева воды для системы располагается внутри теплоаккумулирующей массы солнечной отопительной системы, то домашний отопительный коллектор, по сути дела, является и коллектором для нагрева воды; аккумулированное тепло кругло­суточно поступает непосредственно в бак подогрева. Если внут­ри теплоаккумулирующей массы находится теплообменник, то он передает тепло водонагревателю Если бак подогрева не находится в теплоаккумулирующей массе солнечной отопитель­ной системы и если коллектор является воздушным, то солнеч­ной установке приготовления горячей воды, по-видимому, потре­буется свой собственный коллектор, отличающийся от системы отопления помещений и построенный отдельно

Энергия

Выбираем актуальный способ проведения энергосистемы

При наличии опыта, человеку, обустраивающему электропроводку и простого грщ самостоятельно, доступны только два пути: открытый и закрытый. Скрытый способ рассчитан на замуровывание в стены, гипсокартон, потолок пол и внутренние пустоты …

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ И ПЛОТНОСТЬ ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Удельная теплоемкость. Тепловая емкость или удельная теплоемкость ма­териала представляет собой количество тепла, которое добавлено или отнято у единицы веса материала, чтобы изменить его температуру на один градус. Все удельные теплоемкости …

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 …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов шлакоблочного оборудования:

+38 096 992 9559 Инна (вайбер, вацап, телеграм)
Эл. почта: inna@msd.com.ua

За услуги или товары возможен прием платежей Онпай: Платежи ОнПай