Индивидуальные солнечные установки

ГЕЛИОСИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ И ТЕПЛОХОЛОДОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ

Применение солнечных установок для производства холода и кондиционирования воздуха представляет боль­шой интерес в условиях жаркого климата, так как при этом пиковая нагрузка охлаждения совпадает по време­ни с максимумом поступления солнечной радиации.

Тепловой комфорт человека зависит от скорости от­вода телоты, определяемой температурой и относитель­ной влажностью воздуха, скоростью его движения, фи­зической активностью человека. Отвод теплоты происхо­дит в результате конвекции, излучения и испарения влаги с поверхности тела человека.

Выбор способа охлаждения здания зависит от кли­матических условий: то, что подходит для сухого жар­кого климата пустынь, не годится для влажного клима­та тропиков и субтропиков. ,

Пассивное охлаждение. Одним из способов пассивно­го охлаждения дома является вентиляция прохладным ночным воздухом. Однако этот способ эффективен лишь в тех случаях, когда температура наружного воздуха в ночное время не превышает 18 °С. Вентиляция может быть естественной, когда она осуществляется при откры­вании окон и дверей, или механической, т. е. с примене­нием вентиляторов. Вентиляция ночным прохладным воз­духом охлаждает всю «тепловую массу» дома, т. е. соз­дает запас прохлады на следующий день. Эффективность этого способа возрастает в случае применения галечного аккумулятора, твердые частицы в котором охлаждаются при пропускании прохладного воздуха ночью, а днем са­ми охлаждают наружный воздух. Воздух, поступающий в дом, можно пропускать по проложенному в земле ка - наду, цри этом он охлаждается.

Оригинальное архитектурное решение жилого дома с пассивной системой теплохолодоснабжения показано на рис. 42, где иллюстрируется принцип работы системы в режиме охлаждения. Летом наружный воздух движет­ся вследствие естественной тяги, охлаждаясь перед по­ступлением в дом при прохождении подземного канала и нагреваясь при отводе теплоты от внутренних поверх­ностей дома. Удаление нагретого воздуха осуществляет­ся из верхней точки дома через трубу с жалюзи с север­ной стороны. Отопление дома обеспечивается с помощью пристроенной гелиотеплицы и масляных радиаторов. Движение воздуха в доме зимой и летом регулируется с помощью клапанов. Стрелки указывают направление падения солнечных лучей в 12 часов дня 21 июня и 21 де­кабря. Зимой они через остекленные поверхности попада­ют в помещения, а летом нет.

Испарительное охлаждение. Эффективным способом охлаждения здания в условиях жаркого сухого климата является испарительное охлаждение воздуха перед его поступлением в помещение или галечный аккумулятор. В камере испарительного охлаждения воздух контакти­рует со смачиваемыми поверхностями или струями воды. Наружный воздух с высокой температурой (35—40 °С) и низкой относительной влажностью (25—30 %) в ре-

Зультате испарения воды охлаждается, а его относитель­ная влажность повышается. Он используется для охлаж­дения помещений дома, а при пропускании его через га­лечный аккумулятор происходит зарядка аккумулятора прохладой, которая в дневное время используется для охлаждения помещений.

В зданиях с пассивными гелиосистемами обычно для вентиляции предусматриваются специальные отверстия в противоположных стенах. Нагретый воздух удаляется через отверстия в верхней части южной стены дома. Бла­
годаря этому понижается давление воздуха в здании и наружный воздух поступает через открытые окна, две­ри и отверстия, расположенные в нижней части северной стены.

Радиационное охлаждение. В районах с сухим жар­ким климатом большое количество теплоты излучается в ночное время в открытый космос. Температура косми­ческого пространства близка к абсолютному нулю, од­нако атмосфера Земли влияет таким образом, что эф­фективная температура излучения Ночного небосвода мало отличается от температуры наружного воздуха. В условиях прозрачной атмосферы эта температура ни­же температуры воздуха на 8—14 °С в жарком влажном климате и на 14—20 °С в жарком сухом климате. Плот­ность потока излучения абсолютно черного тела при тем­пературе небосвода — 11°С составляет 63 Вт/м2, а для материалов с высокой излучатёльной способностью при низких температурах, соответствующих длинам волн 8— 12 мкм, плотность потока излучения может составлять 50 Вт/м2 и температура излучающей поверхности может понижаться на 20—40 °С. При ясном-небе и прозрачной атмосфере вода в мелких открытых резервуарах в горах ночью замерзает.

Описанный эффект можно использовать для радиаци­онного охлаждения здания. Для этого крыша дома должна быть изготовлена из металлического листа с пе­редвижными теплоизоляционными щитами (рис. 43,а). В ночное время щиты снимают с металлической крыши и происходит излучение теплоты в окружающее прост­ранство. Охлаждение помещений осуществляется в ре-

SHAPE \* MERGEFORMAT

1

I

5)

Рис. 43. Радиационное охлаждение дома с излучающей металличес­кой крышей (а) и резервуаром с водой (б):

/ — металлическая крыша; 2 — теплоизоляционные щиты (нанели); 3 — резер­вуар с водой

Зультате конвекции воздуха и излучения стен и пола. Для усиления охлаждающего эффекта крышу можно орошать тонкой пленкой испаряющейся воды. Днем теп­лоизоляционные щиты закрывают крышу и предотвра­щают ее нагрев солнечной радиацией. Под крышей мож­но разместить теплоизолированную горизонтальную пе­регородку с отверстиями для циркуляции воздуха. В ночное время возникает конвективное движение воз­духа и при его контакте с излучающей крышей он охлаж­дается и соответственно охлаждает здание.

На металлической крыше дома могут быть размеще­ны резервуары с водой, имеющие передвижную тепловую изоляцию (рис.'43, б). Толщина слоя воды 50—100 мм. Ночью в результате излучения происходит охлаждение крыши и воды. Резервуары служат аккумулятором охлажденной воды и в дневное время закрываются теп­ловой изоляцией.

В условиях жаркого влажного климата требуется не только охлаждение, но и осушение воздуха с помощью адсорбента (силикагеля), который можно в виде тонко­го слоя разместить под металлической крышей. В бетон­ных стенах и полу предусматриваются каналы для цир­куляции воздуха. В ночное время воздух из помещений проходит над слоем силикагеля, поглощающего влагу. Выделяющаяся при этом теплота передается металличе­ской крыше и излучается ею в окружающее пространст­во — происходит охлаждение воздуха и корпуса дома. Днем клапаны перекрывают циркуляцию воздуха в сте­нах здания, а наружный горячий воздух, поступающий в пространство между слоем силикагеля и металличес­кой крышей, осушает силикагель и тем самым подготав­ливает его для ночного процесса.

За счет радиационного охлаждения можно покрыть не менее 25 % нагрузки охлаждения, а при использова­нии силикагеля и вентиляторов на потолке можно отво­дить 100 % избыточной физической и скрытой теплоты при температуре в помещениях выше 27 °С и относитель­ной влажности до 68 Не­надежность теплохолодоснабжения повышается с включением в систему теплового насоса.

На рис. 44 показана схема комбинированной систе­мы теплохолодоснабжения здания с Использованием теп­лового насоса типа воздух—воздух и воздушного солнеч­ного коллектора. В режиме отопления нагретый воздух из солнечного коллектора поступает в галечный аккуму­лятор теплоты. Испаритель теплового насоса находится внутри аккумулятора, а конденсатор — в воздушном ка­нале распределительной системы отопления. Теплота, полученная рабочим телом в испарителе, вместе с энер-

Гией привода компрессора теплового иасоса отводится в конденсаторе. Забираемый из помещения воздух, сме­шанный в определенном соотношении с наружным воз­духом, нагревается за счет теплоты, отбираемой от кон­денсатора теплового насоса, и вентилятором подается в помещение. В состав теплового насоса входит дроссель­ный вентиль.

В режиме охлаждения переключающие клапаны изме­няют Направление движения воздуха во вторичном кон­туре. Горячий воздух из помещения охлаждается при прохождении через испаритель, в то время как воздух, используемый для отвода теплоты из конденсатора, вы­брасывается в атмосферу. Охлаждение галечного акку­мулятора происходит за счет циркуляции воздуха в кол­лекторе в ночное время.

В системе с тепловым насосом типа вода—вода, как правило, используются два бака-аккумулятора — один с горячей, а второй с холодной водой — и тепловой на­сос поддерживает заданную разность температур. Такая система надежно работает жарким летом с высокой ин­тенсивностью солнечной радиации, малым количеством осадков и низкой скоростью ветра. Ее можно применять в республиках Средней Азии.

Аккумулирование тепловой энергии может осуществ­ляться в одном баке, разделенном пергородкой на две секции: верхнюю —для горячей и нижнюю — для холод­ной воды. С помощью теплового насоса теплота из ниж­ней секции бака, где расположен испаритель, передается в верхнюю, в которой установлен конденсатор. В режиме отопления горячая вода из верхней части бака направ­ляется в систему панельно-лучистого отопления. При ра­боте системы в режиме охлаждения вода в верхней сек­ции бака охлаждается в процессе ночного излучения теплоты коллектором, а для охлаждения помещения ис­пользуется более холодная вода из нижней секции бака, причем необходимую разность температур обеспечивает тепловой насос. Обычные кондиционеры воздуха можно рекомендовать лишь для районов с сухим жарким кли­матом. Во влажном климате необходимо применять спе­циальную установку для осушения воздуха. Использова­ние теплового насоса наиболее целесообразно в таких климатических зонах, где отсутствуют большие колеба­ния летних и зимних температур воздуха и тепловые на­грузки систем отопления и охлаждения приблизительно одинаковы. В этих условиях тепловой насос использует­ся круглогодично с полной загрузкой.

На рис. 45 показана схема абсорбционной водо-амми - ачной гелиосистемы охлаждения здания. В этой системе аммиак служит хладагентом, а вода — абсорбентом. На­гретый в солнечном коллекторе теплоноситель с темпера­турой 80 °С поступает в генератор. Из абсорбера силь­ный раствор хладагента (аммиака) в воде подается на­сосом в теплообменник, где нагревается до температуры 70 °С и поступает в генератор, в котором при нагревании из раствора выделяется аммиачный пар. Слабый раствор аммиака через теплообменник стекает в абсорбер, а па­ры аммиака с температурой 75 °С после отделения ка­пелек воды направляются в конденсатор. Из конденса­тора жидкий хладагент через дроссельный вентиль по­ступает в испаритель, где он отбирает теплоту у воздуха (воды) и снова превращается в пар, а охлажденный воз­дух (вода) направляется в помещение. Пары аммиака поступают в абсорбер и поглощаются слабым раствором.

У

Теплота, выделяющаяся в абсорбере и конденсаторе, от­водится с помощью воды, охлажденной в градирне. В ре­зультате получается нагретая вода. Сильный раствор на­сосом подается через теплообменник в генератор.

В гелиосистеме, показанной на рис. 46, хладагентом служит вода, а абсорбентом — бромистый литий. При подводе теплоты в генераторе происходит испарение во­ды. Хладагент — перегретый водяной пар — направляет­ся в конденсатор. Образующийся конденсат проходит через дроссельный вентиль в испаритель, а затем пар поступает в адсорбер, где он смешивается с концентриро­ванным раствором бромистого лития, стекающим из гене­ратора через теплообменник и дроссельный вентиль. В испарителе и абсорбере поддерживается разрежение. Теплота из абсорбера и конденсатора отводится водой, охлажденной в градирне. Предусмотрен бак холодной воды, и осуществляется подпитка.

В генераторе поддерживается температура в преде­лах 77—99 °С, в абсорбере и конденсаторе — порядка 40 °С, а в испарителе — около 5 °С. При испарении воды в испарителе происходит охлаждение воздуха или воды.

Слабый раствор из абсорбера направляется в генератор, и цикл повторяется. Теплообменник используется для подогрева слабого раствора за счет теплоты, отнимаемой у концентрированного раствора.

В соответствии с рис. 46 из солнечного коллектора че­рез теплообменник или непосредственно теплота пере­дается в бак-аккумулятор. Циркуляция теплоносителя в контуре коллектора И аккумулятора осуществляется посредством насоса Н4 и Н5. Горячая вода из бака-ак­кумулятора поступает в котел, затем подается насосом Н2 в генератор, а из него — в нижнюю часть аккумуля­тора и через трехходовой вентиль — в котел. Этот вен­тиль предотвращает попадание теплоты из котла в акку­мулятор. Охлаждающая вода из градирни насосом НЗ

Подается в абсорбер и конденсатор, при этом ее темпе­ратура возрастает с 24 до 32 °С. Насос Н1 подает охлаж­дающую воду для охлаждения воздуха, подаваемого вен­тилятором в здание.

Для установки мощностью 10 кВт требуется солнеч­ный коллектор площадью 50 м2 (при КПД 34 %), она стоит около 15 тыс. руб., в то время как обычный элек­трический кондиционер — 800 руб.

Баланс энергии бромисто-литиевой установки мощно­стью 10 кВт характеризуется следующими величинами мощности потока теплоты (<р=0,8): генератор —

12,5 кВт, конденсатор — 10,55 кВт, абсорбер — 11,95 кВт, градирня — 22,5 кВт.