Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Приоритетность экологически чистых энергогенерирующих технологий 12
1.1. Тенденции развития энергетики 17
1.2. Гелиоэнергетика в замещении топливных ресурсов лидирующих государств и возможности ее развития в условиях РФ 19
1.3. Выводы и постановка задачи исследований 27
Глава 2. Распределение ресурсов солнечной энергии по территории России 31
2.1. Свойства энергетического поля солнечной радиации для прогнозируемого и эффективного использования 34
2.2. Солнечная энергооблученность зданий и сооружений 39
2.3. Теплопоступления от солнечной радиации на сооружения и в помещения 45
2.4. Выводы по второй главе 68
Глава 3. Способы обеспечения сооружений солнечной энергоемкой облученностью 70
3.1. Пассивные солнечные системы отопления для зданий и сооружений 72
3.2. Активные системы солнечного теплоснабжения 91
3.3. Выводы по третьей главе 112
Глава 4. Повышение эффективности гелиотехнических устройств 114
4.1. Разработка установок с высокими показателями трансформирования солнечной энергии в тепловую 121
4.2. Конструктивные решения по тепловой защите сооружений при пассивном солнечном отоплении 126
4.3. Хранение тепловой энергии при нестабильных климатических условиях 130
4.3. Выводы по четвертой главе 133
Глава 5. Моделирование процессов теплообмена в энергоактивных сооружениях и на гелиополигонах 135
5.1. Исследование температурных режимов строительных конструкций при нагревании солнечной радиацией 135
5.2. Тепло аккумулирующая способность веществ при изменении агрегатного состояния для длителы юго хранения теплоты 161
5.3. Исследование влияния конструктивных решений коллекторов на эффективность преобразования солнечного излучения 167
5.4. Выводы по пятой главе 175
Глава 6. Экспериментальное исследование солнечной системы теплоснабжения 178
6.1. Методика проведения экспериментального исследования 178
6.2. Экспериментальная установка солнечной системы теплоснабжения 188
6.3. Приборы и средства измерения 190
6.4. Анализ результатов экспериментального исследования 192
6.5. Выводы по шестой главе 198
Глава 7. Определение технико-экономической эффективности солнечных систем теплоснабжения 200
7.1. Основные критерии оценки технико-экономической эффективности солнечных систем теплоснабжения 200
7.2. Структура расходов на выработку теплоты 204
7.3. Результаты численного эксперимента по определению эффективности солнечных систем теплоснабжения зданий коттеджного типа 207
7.4. Выводы по седьмой главе 229
Основные выводы по диссертации 231
Список используемых источников 234
- Гелиоэнергетика в замещении топливных ресурсов лидирующих государств и возможности ее развития в условиях РФ
- Теплопоступления от солнечной радиации на сооружения и в помещения
- Активные системы солнечного теплоснабжения
- Конструктивные решения по тепловой защите сооружений при пассивном солнечном отоплении
Введение к работе
Актуальность проблемы. Солнечная энергия является наиболее технологически доступным и экономически целесообразным видом возобновляемой энергии, использование которого для теплоснабжения сооружений было бы неверно ограничивать районами только с теплым климатом, продолжительным количеством безоблачных дней и значительной величиной солнечной радиации. Последние актинометрические исследования РФ показывают достаточную энергооблученность многих регионов, не относящихся с этой точки зрения к благоприятным, но для условий которых возможно проектирование и организация бесперебойной эксплуатации гелиоустановок.
Вопросами использования солнечной энергии в пассивных и активных системах солнечного теплоснабжения занимается целый ряд научных, проектных и производственных коллективов России: Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН, комитет Российского союза научных и инженерных общественных организаций по проблемам использования возобновляемых источников энергии (возглавляемый Безруких П.П.), Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, акционерное общество «Новые и возобновляемые источники энергии», отделение нетрадиционных источников энергии в ОАО энергетическом институте им. Г.М. Кржижановского (ранее возглавляемое Тарнижевским Б.В.) и др. Значительный вклад в развитие этих вопросов принадлежит Осипову Г.Л., Богословскому В.Н., Табунщикову Ю.А., Кувшинову Ю.Я., Бродач М.М, Попелю О.С., Бутузову В.А., Тарнижевскому Б.В., Фриду С.Е., Мухиддинову П.М., Пенджиеву А.М. и др.
В России традиционно широко применяется солнечная энергия в сельском хозяйстве: в технологии выращивания различного вида культур, для сушки сельскохозяйственной продукции, опреснения воды, снабжения горячей водой животноводческих помещений. Научный и практический интерес представляет возможность использования солнечной энергии и в производственных процессах, например, в технологии получения низкой себестоимости продукции стройиндустрии при ускорении процесса твердения бетонов, вместо традиционного пропаривания.
Несмотря на разнообразные способы применения солнечного излучения, нетрадиционное теплоснабжение объектов различного назначения осуществляется крайне редко. Это проявляется, том числе и в территориальной ограниченности использования солнечной радиации. Лишь только в южных регионах гелиоустановки нашли относительно широкое применение и практически отсутствуют в центральных и северных областях РФ. Распространение систем утилизации солнечной энергии для большинства регионов сдерживается не только их дороговизной и крайне низким количеством типовых решений, но и отсутствием эффективных, высокопроизводительных разработок гелиосистем, улавливающих, преобразующих и аккумулирующих солнечную энергию при нестабильных климатических условиях.
Диссертационная работа выполнялась в рамках приоритетного направления развития фундаментальных и прикладных наук РААСН «Ресурсо- и энергоминимизация в архитектурно-строительном комплексе. Энергосберегающие технологии»
Цель работы – научно-методологические основы обеспечения максимального замещения солнечной энергией тепловых нагрузок зданий за счет повышения эффективности процессов улавливания, аккумулирования и передачи потребителю теплоты.
Для достижения этой цели необходимо решать следующие научно-технические задачи:
-
Количественная оценка энергетического потенциала солнечной радиации для различных климатических условий на основе анализа данных актинометрических наблюдений на территории РФ.
-
Комплексное обоснование принципиальных решений систем альтернативного теплоснабжения объектов для различных районов строительства с учетом энергооблученности ограждений проектируемых сооружений.
-
Разработка перспективных направлений по осуществлению максимально возможного замещения солнечной энергией в теплообеспечении зданий на основе повышения потенциала оборудования гелиосистем.
-
Создание на базе концептуального прогнозирования развития гелиосистем технических решений по улавливанию, хранению и транспортировке теплоты, вызывающих повышение показателей основных процессов в энергозамещении.
-
Оценка на основе математического моделирования возможностей наименее затратного пассивного способа применения солнечной радиации, как в производственных процессах стройиндустрии, так и при замещении тепловой нагрузки в отоплении зданий различного назначения.
-
Разработка рекомендаций по эффективному использованию массивов с регулируемыми светопрозрачными ограждениями для пассивного солнечного отопления и осуществления гелиотермообработки в условиях средней полосы России и более северных широт.
-
Обоснование технических решений, повышающих кпд активных гелиосистем посредством математического моделирования процессов, протекающих в оборудовании основного назначения. Анализ расчетных данных, полученных на базе проведенных исследований, и прогнозирование на его основе изменений теплотехнических показателей установок при применении новых конструктивных решений для обеспечения максимально возможного энергозамещения.
-
Экспериментальное исследование режимов функционирования активной гелиосистемы и ресурса возможного энергозамещения в зависимости от конструктивных особенностей оборудования и климатических условий его использования.
-
Разработка структурной схемы и методики расчета энергозамещения солнечной радиацией в балансе потребления с учетом климатических особенностей и параметрических эксплуатационных характеристик оборудования при прогнозируемом повышении их показателей.
-
Определение целесообразности применения солнечных систем в энергообеспечении зданий коттеджного типа при проведении численного эксперимента с учетом эффективности конструкторских разработок.
Научная новизна работы.
- установлены классификационные характеристики возможного использования солнечной радиации для энергозамещения потреблений сооружениями в зависимости от ее валового потенциала и создаваемых условий, способствующих дополнительной облученности воспринимающих поверхностей;
- разработаны научно-методологические основы концептуальных направлений повышения эксплуатационных параметров оборудования гелиосистем, позволяющих увеличить долю замещения в энергообеспечении сооружений;
- на основе математического моделирование пассивного использования солнечной энергии дана оценка технических возможностей и условий, способствующих росту энергооблученности строительных конструкций;
- обосновано комплексное повышение теплотехнических характеристик оборудования активных солнечных установок, вызывающее увеличение общего кпд гелиосистем и расширяющее территориальных диапазон их применения;
- разработаны конструктивные решения улавливающих, аккумулирующих и передающих энергию потребителю устройств, позволяющих эффективно использовать солнечную радиацию в пассивном и активном режиме;
- в результате математического моделирования установлено влияние на температурный режим теплоносителя технических параметров гофрированного светопрозрачного покрытия абсорбера и пластинчатого теплообменника-аккумулятора, с предусмотренной в нем функцией контроля времени хранения и передачи теплоты потребителю;
- обоснована целесообразность замещения солнечной энергией теплопотребления зданий для ряда регионов с нестабильными климатическими условиями, в том числе и с учетом повышения кпд современных гелиосистем.
Основные положения, выносимую на защиту:
- комплексная оценка уровня возможного использования ресурсов солнечной радиации на территории РФ с прогнозированием ее роста в энергообеспеченности зданий для ряда климатических зон; технико-экономическое обоснование базисных решений по применению гелиосистем для конкретных климатических условий регионов;
- научно-методологические подходы к вопросам поиска способов повышения эффективности пассивных и активных гелиосистем для достижения максимального возможного замещения в энергопотреблении сооружений;
- результаты теоретических исследований пассивного использования солнечной радиации для проведения производственных процессов термообработки строительных изделий и для компенсации теплопотерь помещениями в холодный период года при нагревании конструкций ограждений;
- рекомендации, разработанные на основе системного анализа и моделирования пассивных способов утилизации излучения, по организации структур поглощающих массивов, включая теплоизоляционные материалы и экранирующие солнцезащитные устройства для сезонных изменений в нагрузках;
- технические решения, обоснованные математическим моделированием и повышающие степень улавливания солнечной энергии, а также обеспечивающие ее длительное хранение при нестабильных погодных условиях в активных гелиосистемах;
- результаты экспериментальных исследований альтернативного энергозамещения нагрузок и эффективности плоского коллектора с гофрированным светопрозрачным ограждением в системе солнечного автономного теплоснабжения здания определенного типа.
Обоснованность и достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждены следующими положениями:
- полученные в работе научные результаты базируются на классических положениях теории тепломассообмена;
- удовлетворительным соответствием результатов расчетов, полученных на основе предложенных математических моделей, данным испытаний солнечной системы теплоснабжения, а также известным ранее экспериментальным и теоретическим данным других исследователей.
Практическая значимость работы определяется решением в рамках диссертации крупной проблемы, имеющей энерго- и ресурсосберегающее значение в области развития и совершенствования ЖКХ, а также автономного обеспечения зданий и отделенных населенных пунктов.
Практическая значимость результатов работы заключается в:
- научно-методологическом обосновании возможности применения систем солнечного теплоснабжения в климатических условиях средней полосы России и территорий, относящихся к северным регионам;
- предложенных методологических основах прогнозирования и оценки возможного энергозамещения в теплопотреблении сооружений при проектировании активных и пассивных систем солнечного теплоснабжения;
- технических решениях, повышающих эффективность использования солнечного излучения и расширяющих территориальный диапазон экономической целесообразности альтернативного энергозамещения.
Внедрение в практику состоит в использовании следующих положений диссертации:
- системного подхода к поэтапному решению технических задач использования солнечной радиации в энергозамещении нагрузки объектов в климатических условиях РФ;
- использование на стадии проектирования расчетных алгоритмов определения валового потенциала солнечной радиации для различных регионов, подбора требуемого оборудования гелиосистем, их теплового и гидравлического расчета, включая вопросы стоимости и окупаемости разрабатываемых мероприятий;
- поиска совместно с проектными и монтажными организациями на стадии принятия решений приоритетных объектов для альтернативного теплоснабжения, позволяющих применять энергосберегающие технологии строительства;
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, региональных конференциях, совещаниях и научных семинарах, в числе которых международный научно-практический симпозиум «Дорожная экология XXI века», Воронеж, 2000; первая и вторая международные научно-технические конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции», Москва, МГСУ 2005, 2007; 7, 8, 9, 10, 11, 12-ая международные научно-практические конференции «Высокие технологии в экологии», Воронеж, 2004-2009; III международная научно-практическая конференция «Проблемы экологии: наука, промышленность, образование», Белгород, 2006; международная научно-практическая конференция «Концептуальные вопросы современного градостроительства», Воронеж, 2007; III Международная выставка - Интернет-конференция «Энергообеспечение и строительство», Орел, 2009.
Вклад автора в работу заключается в постановке и решении научно-технических задач, разработке математического моделирования, конструировании основного оборудования гелиосистем, проведении экспериментов и выполнении расчетов, анализе экспериментальных данных и результатов математического моделирования, авторском надзоре за процессом использования выполненных разработок в теплоснабжении объектов.
Публикации. Основное содержание диссертации представлено в 47 научных публикациях, в том числе 11 статьях рецензируемых журналов (из них лично автором 1,34 п. л.), рекомендуемых ВАК для строительной отрасли, монографии, в 5 патентах на изобретения и 23 публикациях в центральной печати.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы из 215 наименований, приложений, изложена на 292 страницах машинописного текста, включает 15 таблиц и 78 иллюстрации.
Гелиоэнергетика в замещении топливных ресурсов лидирующих государств и возможности ее развития в условиях РФ
Первая международная программа ЮНЕСКО по использованию солнечной энергии была начата в 1973 году. Ее реализация, а также и других приоритетных направлений в экономии топливных ресурсов, уже в 2000 году привели к глобальным изменениям в энергетическом балансе развитых стран Европы. В настоящее время площадь используемых солнечных коллекторов в мире превышает 180 млн м" [21], что эквивалентно замещению традиционных источников энергии в объеме, равном примерно 7-Ю млн т условного топлива в год. По темпам роста рынка гелиоустановок лидирует Европа, и они составляют 20 % в год. К 2000 году в Европе были установлены тепловые коллекторы суммарной площадью 7 млн. м2 и тепловой мощностью 3500 МВт. В среднем стоимость 1 м" данных устройств составляет менее 250 долларов.
Особенностью применения тепловых коллекторов является незначительное количество крупных теплостанции по сравнению с численностью небольших по площади единичных установок для теплоснабжения индивидуальных потребителей. Общая площадь гелиополя крупных тепловых станций может достигать нескольких тысяч квадратных метров.
Как видно из диаграммы рисунка 1.4, несмотря на географическое положение, Швеция является европейским лидером по использованию тепловых коллекторов. Из 46 европейских крупномасштабных тепловых станций 15 находятся в Швеции. Начиная с 1997 года в Германии и Австрии было построено 20 подобных теплостанции.
Общий объем продаж солнечных тепловых коллекторов в 1998 году в Германии, Австрии и Швеции составил 1 млн м". К концу 2000 года суммар-ная площадь коллекторов в Европе составила 8 млн м", что позволило избежать выброса в атмосферу 1,4 млн т углекислого газа, который вырабатывается при использовании на тепловых электростанциях 450 тыс. т нефти.
К лидерам потребления солнечной тепловой энергии относятся Дания, Израиль. Согласно существующему в Израиле «Солнечному закону», 90 % населения использует тепловые коллекторы для получения горячей воды. При этом общая площадь гелиоустановок составляет свыше 5 млн. м". Все строящиеся в этой стране здания должны быть обеспечены устройствами, позволяющими получить горячую воду за счет солнечной радиации. Для каж 21 дой новой 2-3-комнатной квартиры проектируются гелиосистемы, нагревающие воду до 50 С в количестве 120 литров. Применение коллекторов уже сейчас позволяет экономить свыше 10 % производимой в Израиле энергии.
Постоянное совершенствование производителями солнечных систем теплоснабжения позволяет достичь значительного эффекта в снижении традиционного энергопотребления. В Дании, например, типовая система нагрева воды на одну семью стоимостью 2500-5000 долларов имеет солнечный коллектор площадью 3-6 м2 с водяным баком-аккумулятором на 200-300 л. В доме фирмы «Филипс» 20 м солнечного коллектора при его среднем КПД 50 % собирает в год 36-44 ГДж теплоты, которая сохраняется в баке объемом 40 м3 при температуре до 95 С.
В последнее время в результате активной государственной поддержки прочное лидерство в этом вопросе принадлежит Германии. По прогнозам специалистов к 2050 г. в Германии доля электрической энергии, получаемой от солнечных установок, составит до 9,8 %, а доля тепловой энергии от этих установок достигнет 20,5 % от общего объема энергии альтернативных источников [102]. Программа, по которой не менее 300 тысяч зданий должны быть оборудованы солнечными системами, действует уже почти 15 лет и предполагает так же стимулирование граждан в этом направлении за счет предоставления низкопроцентных кредитов на 10 лет. В тоже время мощность солнечных установок для генерации электрической энергии в Германии с 1999 по 2005 год возросла с 13 до 750 МВт. В 2007 году число таких солнечных панелей достигло 300 тысяч с суммарной мощностью до 2500 МВт, и планируется их дальнейшее увеличение, чтобы обеспечить как минимум 30 % всей потребности жителей частных домов. К 2025 году выработка электроэнергии, получаемой от солнца, должна достигнуть 586 млрд кВт-ч [102].
С 2004 по 2006 годы в Германии число новых солнечных установок для получения тепловой энергии возросло с 60 до 140 тысяч, а общая площадь коллекторов достигла 5,4 млн м". К 2010 году предполагается довести эту величину до 10 млн м". В материалах фирмы Solartop (Германия) [102] приводятся данные, частично представленные в табл. 1.3, по оборудованию солнечных систем для получения тепловой энергии в жилых домах усадебного типа.
Солнечные коллекторы в Германии выполняются обычно в виде многослойной конструкции в алюминиевой раме [102]. Сверху рама закрыта высокопрочным прозрачным стеклом с пропускательной способностью более 92 %, что сокращает отражение солнечного излучения до 5 %. Под стеклом размещена пленка из светопоглощающего металла, в качестве которого часто используют медную пластину, выполняющую функцию абсорбера. Непосредственно к этой пластине приварен или припаян регистр или змеевик из медных трубок. Под регистром располагается многослойная теплоизоляция из минеральной ваты и вспененного полиуретана. Такие модули рассчитаны на максимальную температуру теплоносителя, циркулирующего по медному регистру до 206 С при давлении до 10 бар [102]. Прочность конструкции остекления коллектора такова, что оно способно выдержать напор ветра со скоростью до 250 км/ч.
Теплопоступления от солнечной радиации на сооружения и в помещения
Выбор технического решения нетрадиционного энерговозмещения тепловых потерь строительных объектов для конкретного региона прежде всего зависит от величины среднемесячной суммарной радиации.
Основной единицей расчёта лучистой солнечной энергии является солнечная постоянная 1о, Вт/м", которая представляет собой плотность потока энергии солнечного излучения за пределами земной атмосферы на среднем расстоянии от Земли до Солнца в плоскости, перпендикулярной солнечным лучам [161].
На протяжении последних пятидесяти лет принятое значение солнечной постоянной постоянно уточнялось не один раз. В 1923 г. в первых работах по солнечным элементам использовалось 1350 Вт/м", предложенное К. Дж. Абботом, в-1954 г. Ф. Джонсон получил 1393 Вт/м2, в начале семидесятых годов в качестве стандарта было выбрано 1353 Вт/м2, выведенное в США М. П. Такаекарой. В настоящее время наиболее достоверным считается 1360 Вт/м ", определённое в СССР Е. А. Макаровой и А. В. Харитоновым.
На поверхности Земли солнечное излучение включает следующие компоненты: - прямое солнечное излучение с интенсивностью Іп, Вт/м", которая ниже внеатмосферной, и с изменённым спектральным составом (в основном за счёт обеднения коротковолновой части спектра, что вызвано поглощением излучения при прохождении в атмосфере); - рассеянное диффузионное излучение с интенсивностью 1Д, Вт/м", которое определяется рассеянием излучения в атмосфере и проявляется посредством изменения яркости неба или облаков; - отражённое от земной поверхности излучение с интенсивностью 1т , Вт/м", которое определяется коэффициентом отражения (альбедо) р. Количество поступающей на земную поверхность солнечной энергии может быть определено решением уравнения радиационного баланса. Радиационный баланс есть разность между потоками энергии, поступающими на земную поверхность, и уходящими от неё. Уравнение радиационного баланса можно представить в виде где ЕА - тепловое излучение атмосферы, направленное к земной поверхно-сти, Вт/м"; Е3 - тепловое излучение земной поверхности, Вт/м".
Основная доля лучистой энергии падает на поверхность земли в виде потока прямого солнечного излучения. Однако нельзя пренебрегать и рассеянным излучением. Северные районы нашего полушария в значительной мере, и особенной в холодный период года, используют теплоту именно от излучения неба. Для южных широт рассеянное излучение имеет меньшее значение, но всё-таки эта составляющая не теряет своего практического значения. Так, например, для Ташкента (широта 41) отношение количества теплоты от рассеянного излучения к количеству теплоты, поступающей на горизонтальную поверхность от прямого солнечного излучения для периода осень-зима, составляет 53 %, а для периода весна - лето 30 %.
Данные о коэффициентах отражения, поглощения и пропускания облачного покрова, определяющих тепловой баланс облаков и количество отражаемого ими в мировое пространство излучения, имеют большой практический и теоретический интерес. Земной шар отражает 42 % падающей на него лучистой энергии. Основная часть этого отражения (около 35 %) приходится на облака. Поэтому термический режим земного шара в очень большой степени зависит от альбедо облаков.
Основа современной международной классификации облаков была заложена Луком Говардом. В ней для описания внешнего вида облаков использованы латинские термины: alto-высоко; cirrus-перистый, cumulus-кучевой, nimbus-дождевой и stratus-слоистый. Различные сочетания этих терминов применяются для наименования десяти главных форм облаков: cirrus-перистые (Сі), cirrocumulus-перисто-кучевые (Сс), cirrostratus-перисто-слоистые (Cs), altocumulus-высококучевые (Ас), altostratus-высокослоистые (As), nimbostratus-слоисто-дождевые (Ns), stratocumulus-слоисто-кучевые (Sc), stratus-слоистые (St), cumulus-кучевые (Си), cumulonimbus-кучево-дождевые (Cb).
Альбедо — доля солнечного излучения, отражённого объектом. Эта величина обычно выражается в процентах или долях единицы. Альбедо облаков в зависимости от типа и вертикальной мощности (под вертикальной мощностью понимается высота слоя облаков) колеблется от 0,17 до 0,81 [162].
Измерения альбедо различных облаков показывают, что оно в сильной степени зависит от их мощности. Эта зависимость для ряда облачных форм показана на рисунке 2.10 (для Москвы и Архангельска). Кривые показывают, что альбедо всех облаков увеличивается с ростом их мощности, причём наиболее быстро при малых мощностях (до 200-300 м). Влияние формы облаков тоже оказывается очень существенным.
Активные системы солнечного теплоснабжения
Большой практический интерес к обогреву помещений и получению горячей воды за счет солнечной радиации обусловлен тем, что в промышленно развитых странах около 30-40 % производимой энергии расходуется так называемыми низкотемпературными до 100 С потребителями. Получить тепло таких параметров можно с помощью плоских солнечных коллекторов, работающих по принципу тепличного эффекта при прямой абсорбции излучения.
Основным конструктивным элементом солнечной установки является коллектор, в котором происходит улавливание солнечной энергии, ее преобразование в теплоту и нагрев воды, воздуха или какого-либо другого теплоносителя. Различают два типа солнечных коллекторов: плоские и фокусирующие. В первом случае солнечная радиация поглощается без концентрации, а во втором происходит увеличение плотности ее потока на воспринимающий теплоту элемент. Наиболее распространенным типом коллекторов в гелиоустановках является плоский коллектор, изображенный в разрезе на рисунке ЗЛО.
Чтобы его изготовить, необходима, прежде всего, лучепоглощающая поверхность, имеющая надежный контакт с рядом труб или каналов для движения нагреваемой среды. Совокупность плоской поглощающей поверхности и каналов для теплоносителя образует единый конструктивный элемент - абсорбер, который выполняется из металла с высокой теплопроводностью, а именно из стали, алюминия и даже из меди. Для лучшего улавливания солнечной энергии верхняя поверхность абсорбера должна быть окрашена в черный цвет или иметь специальное селективное покрытие, наличие которого позволяет максимально поглощать радиацию и минимизировать тепловые потери коллектора. Это покрытие представляет собой единственный наукоемкий элемент в конструкции устройства. Сверху абсорбер закрыт светопрозрачным ограждением, выполненным в виде одного или двух слоев стекла или прозрачного стойкого к воздействию ультрафиолета полимера.
Солнечное излучение, падающее на прозрачное покрытие коллектора, с незначительными потерями проникает внутрь корпуса, где поглощается абсорбером и нагревает его с минимальным рассеиванием тепловой энергии, что и составляет физическую сущность тепличного эффекта. Так как интенсивность солнечного излучения находится в спектральном интервале 0,4-1,8 мкм, то в качестве прозрачного верхнего слоя используется с-текло, имеющее коэффициент пропускания в этом диапазоне длин волн до 95 %. Коэффициент поглощения абсорбирующего покрытия составляет 90 %, что обеспечивает его нагревание до 50-80 С даже без применения верхнего остекления. Нагретое до таких температур тело излучает тепловую энергию в основном в инфракрасном диапазоне.
Стекло для инфракрасного излучения обладает низким коэффициентом пропускания, поэтому в плоских солнечных коллекторах наблюдается тепличный эффект, заключающийся в накоплении энергии и, соответственно, в увеличении температуры абсорбера до 160 С, если полученная теплота не выводится из устройства теплоносителем. В рабочем режиме накопленное тепло расходуется на нагрев воздуха или воды, которые циркулируют через коллектор. В средней полосе Европы в летние месяцы производительность каждого квадратного» метра поверхности абсорбера таких установок может достигать 50-60 литров воды в день с температурой 60-70 С. При этом КПД солнечного коллектора составляет порядка 70 % и зависит от температуры окружающей среды, плотности потока солнечной энергии и температуры, до которой необходимо нагреть теплоноситель. При уменьшении температуры нагреваемой воды КПД коллектора увеличивается, но так как ее стандартная величина соответствует 50 С, то гелиосистема в основном должна обеспечивать нормируемые параметры.
На рисунке 3.11 показаны различные принципиальные схемы конструктивного исполнения жидкостных и воздушных коллекторов [24, 34, 108, 130, 208]: а - с трубами для теплоносителя, припаянными к абсорберу снизу; б -типа «труба в листе»; в - со штампованной лучепоглощающей панелью; г -вакуумированный стеклянный трубчатый коллектор; д - с плоским абсорбером; е, ж - с ребристым и гофрированным абсорберами; з — с наполовину зачерненными стеклянными пластинами; и - матричный воздухонагреватель.
Максимальная температура, до которой можно нагреть теплоноситель в плоском жидкостном коллекторе, не превышает 100 С. К числу принципиальных преимуществ такого коллектора по сравнению с другими устройствами данного назначения относится его способность улавливать как прямую, так и рассеянную солнечную радиацию, поэтому возможна его стационарная установка без применения дорогостоящих средств слежения за Солнцем.
При использовании оптических устройств типа зеркал или линз, достигается повышение плотности потока солнечной энергии. Это характерно для фокусирующих коллекторов солнечной энергии (рисунок 3.12), требующих специального механизма для слежения за Солнцем. Зеркала плоские, парабо-лоидные или параболоцилиндрические изготовляют из тонкого металлического листа, фольги или других материалов с высокой отражательной способностью; линзы - из стекла или пластмасс. Фокусирующие коллекторы обычно применяют там, где требуются высокие температуры (солнечные электростанции, печи и т.п.). В системах теплоснабжения зданий они практически не используются [24]. Поэтому для нагревания теплоносителя, направляемого в системы отопления и горячего водоснабжения, применяют в основном плоские солнечные коллекторы.
Конструктивные решения по тепловой защите сооружений при пассивном солнечном отоплении
Организация пассивного отопления предполагает создание условий не только для максимального поступления солнечного излучения на теплоакку-мулирующие строительные конструкции, но и для эффективной защиты от теплопотерь через светопрозрачные ограждения, особенно в ночное время суток. Удовлетворить перечисленные требования можно путем применения экранирующих теплоизоляционных средств, не требующих постоянного обслуживания и работающих в автоматическом режиме без дополнительных затрат электроэнергии. В этом случае не только используется солнечная радиация для пассивного отопления в холодный и переходный периоды года, но и предотвращаются чрезмерные теплопоступления в летние месяцы, что снижает нагрузку на системы кондиционирования воздуха и холодоснабже-ния.
Рассмотрим конструкцию, выполняющую функции экранирующего средства и тепловой изоляции при минимальных капитальных затратах и отсутствии эксплутационных расходов. Устройство [89] может быть применено как для окон здания, так и для строительных ограждений, имеющих свето-прозрачное покрытие и используемых в качестве аккумуляторов теплоты при пассивном солнечном отоплении. Экранирующая конструкция, изображенная на рисунках 4.5, 4.6, 4.7, состоит из дополнительной рамы 4, установленной в коробке окна между наружным и внутренним остеклением и имеющей тепловую изоляцию 5. К дополнительной раме 4 прикреплены с помощью упругих связей 6 теплоизоляционные полимерные пластины 7 с металлизированным покрытием, которые в своей верхней крайней части, ближней к наружной раме 1, имеют легкую металлическую вставку 8.
На внешней стороне окна, не затеняя его остекления, закреплен солнечный элемент 9, который связан посредством переключателя 10 с механизмом поворота 11 теплоизоляционных полимерных пластин 7. Механизм поворота 11 состоит из токопроводящей пластины 12, сообщенной с переключателем 10 и установленной на двух стержнях 13, шарнирно закрепленных в наружной 1 и внутренней 2 рамах. Концы 14 стержней 13 выступают в помещение по отношению к поверхности внутренней рамы 2. Стержни 13 в межстекольном пространстве имеют резьбу 15 длиной, равной расстоянию от наружной 1 до дополнительной 4 рамы.
При воздействии солнечной радиации на солнечный элемент 9 в нем вырабатывается небольшое количество электроэнергии, которое при включенном переключателе 10 передается на токопроводящую пластину 12. В результате возникает электромагнитное поле, под воздействием которого металлические вставки 8, притягиваясь к токопроводящей пластине 12, беспрепятственно развернут (из-за упругости связей 6) теплоизоляционные полимерные пластины 7 в рабочее положение. Солнечное излучение в этом случае будет проникать между теплоизоляционными полимерными пластинами 7, попадая на их металлизированное покрытие, лучи будут отражаться и направляться в глубину помещения. В нерабочем состоянии при отключенном переключателе 10 пластины 7 полностью перекрывают сечение дополнительной рамы 4.
Регулирование потока солнечной радиации, проникающей сквозь остекление, осуществляется с помощью изменения положения токопроводящей пластины 12. В летние месяцы, когда поступающая на остекление солнечная энергия достигает максимальных значений, токопроводящую пластину 12 следует устанавливать с помощью стержней 13 ближе к дополнительной раме 4. Тогда ее сечение будет частично перекрыто теплоизоляционными полимерными пластинами 7, и вследствие этого незначительное количество излучения, достаточное для освещения, проникнет в глубину помещения. Это сократит теплопоступления в период высоких температур наружного воздуха
