«Барнаул 2006 ББК 20.1+31.1 Э 65 Издание посвящено проблемам энергообеспечения юга Западной Сибири (на примере Республики Алтай) и возможным путям их решения. Основное внимание уделено вопросам солнечного теплоснабжения ...»

Энергетика Алтая:

реальные альтернативы

Барнаул 2006

ББК 20.1+31.1

Э 65

Издание посвящено проблемам энергообеспечения юга Западной Сибири (на примере

Республики Алтай) и возможным путям их решения. Основное внимание уделено

вопросам солнечного теплоснабжения — теории и практике изготовления солнечных

коллекторов.

Издание осуществлено благодаря

Межрегиональному Общественному Фонду Сибирский центр поддержки общественных инициатив Проблемы энергообеспечения и возможности региона Содержание Часть I

Введение Проблемы энергообеспечения и возможности региона

Проблемы — глобальные и локальные

Проблемы экологические

Проблемы социальные

Проблемы экономические

Легенды и мифы, или Что русскому хорошо, то европейцу…

Экология или экономика? Экология и экономика

Проекты масштабные

Проекты локальные

Немного об этом издании

Немного истории

Часть II

Энергии солнечного излучения: Немного теории

Оценка энергетического потенциала солнечного излучения

Типы коллекторов

Устройство плоского солнечного коллектора

Двухслойное остекление

Прозрачная теплоизоляция с сотовой ячеистой структурой ПТИ

КПД солнечного коллектора

Воздушные коллекторы

Два типа конструкции воздушных коллекторов

Замечание

Загрязнение коллектора

Примеры исполнения конструкций воздушного коллектора

Аккумуляторы теплоты

Аккумуляторы теплоты емкостного типа

Аккумуляторы теплоты фазового перехода

Солнечный пруд

Солнечные установки коммунально-бытового назначения

Солнечные водонагревательные установки

Водонагреватели с естественной циркуляцией воды

Водонагревательные установки с принудительной циркуляцией

Системы солнечного теплоснабжения (отопления) зданий

Пассивные гелиосистемы отопления зданий

К сведению

Рациональное использование дневного освещения

Активные гелиосистемы отопления зданий

Проблемы энергообеспечения и возможности региона Часть III

Приложение I

Определение располагаемого количества солнечной энергии

Приложение II

Дневное поступление солнечной энергии

Приложение III

Некоторые вопросы изготовления и монтажа солнечных коллекторов

Выбор материалов для солнечных установок

Материалы для аккумуляторов теплоты

Изготовление, монтаж и установка жидкостной гелиосистемы теплоснабжения

Изготовление, монтаж и установка воздушных гелиосистем теплоснабжения

Изготовление и установка аккумулятора теплоты

Трубопроводы и теплообменники для солнечных установок

Приложение IV

Простые солнечные установки для приусадебных и дачных участков

Приложение V

Солнечный коллектор в Чуй-Оозы

I. Принципиальная схема солнечного коллектора с линейным параболическим отражателем

II. Описание и технические характеристики пилотного образца

III. Выводы и предложения по результатам эксплуатации опытного образца

Приложение VI

Некоторые вопросы эксплуатации и использования солнечных установок............... Приложение VII

Некоторые выводы

Приложение VIII

Список использованной и рекомендуемой литературы

Проблемы энергообеспечения и возможности региона В этом (2006) году Россия председательствует в Большой восьмерке (G8) и темой своего председательствования руководство нашей страны выбрало проблемы энергетической безопасности.

Как заявил президент России В.В. Путин 16 марта 2006 года на встрече с министрами энергетики стран «Группы восьми», сегодня именно энергетика является важнейшим ресурсом социально-экономического развития, прогресса и прямо влияет на благополучие жителей планеты. Однако, она подвержена серьезным рискам — и политическим, и экономическим, и экологическим. Поэтому, как заявил В.В. Путин, наша страна готова и хочет внести свой вклад во внедрение новейших технологий, развивать производство энергии на базе альтернативных и возобновляемых источников энергии. Экстенсивный, потребительский подход к природе — это тупиковый путь, считает Президент. В то же время нерациональное использование энергоресурсов может привести к экологической катастрофе, причем далеко не локального, а глобального масштаба.

Речь идет, конечно, не только о проблемах экологических, но и о проблемах социальных, экономических, совершенствования законодательства и т.д.

Проблемы экологические Здесь нет возможности освещать все экологические проблемы, связанные с энергетикой (только проблемы ядерной энергетики займут многотомное издание, начиная с истории Чернобыльской АЭС).

Однако, учитывая продолжающиеся судебные тяжбы и пересуды вокруг Алтайской ГЭС, мы считаем необходимым хотя бы в двух словах сказать о проблемах, возникающих в связи со строительством плотин.

Тем более, что буквально в марте этого года в Международный День борьбы против плотин (14 марта) был обнародован отчет Всемирного Фонда дикой природы «Свободно текущие реки — экономическая роскошь или экологическая необходимость?», авторы которого предупреждают о негативном влиянии дамб на реки, их обитателей и природу в целом.

В пресс-релизе по поводу этого отчета отмечается, что из крупнейших рек мира (1 тысяча км длиной и более) только треть не имеют дамб или других сооружений на своем главном русле. Только 21 большая река свободна в своем течении от истоков до устья. Незарегулированными остаются всего 43 больших притока великих рек, таких, как Конго, Амазонка и Лена. Строительство дамб на реках — опасная тенденция, которая угрожает природе всей планеты.

«Последствия урагана Катарина для Нового Орлеана были ярким примером того, как река Миссисипи отомстила человеку за нарушение ее экосистемы, — сказал Джеймс Питток, директор международной Пресноводной программы WWF. — Дамба задерживает песок, ил, другие придонные отложения, тем самым обедняя пойменные луга и болота ниже по течению, что и является главным фактором опустошения и потери жизни».

Большинство незарегулированных рек сегодня находятся в Азии, в Южной и Северной Америке. В Австралии и Океании их три, в Европе, включая территорию западнее Урала, только одна большая река — Печора в России — остается свободно текущей от истоков до моря. По прогнозам экспертов, каждая четвертая крупнейшая река мира будет зарегулирована в ближайшие 15 лет.

Такую же судьбу сегодня Россия и Китай готовят и Амуру.

В пресс-релизе особое место отведено проблемам, связанным с зарегулированием дальневосточных рек. Это достаточно наглядный пример, тем более что совсем недавно был зарегулирован еще один приток Амура — река Бурея. Построена была Бурейская ГЭС недавно, а проблемы, ею созданные, уже проявились достаточно серьезно.

Три притока Амура — Зея, Бурея и Сунгари уже перерезаны плотинами.

Огромные водохранилища затопили целые лесные массивы. Идет фенольное загрязнение Амура.

Нанесен колоссальный ущерб рыбным популяциям. Изменился гидрорежим реки. Однако это не останавливает людей, желающих построить плотины на самом русле Амура.

«Но если Амур будет перекрыт плотинами, — говорит директор Дальневосточного филиала WWF России Юрий Дарман, — динамика природных и социальных систем может стать не поступательной, а катастрофической — то есть очень быстрой и хаотической».

Важно вспомнить, что послужило толчком этому тотальному межправительственное соглашение о создании советско-китайской комиссии для разработки «Схемы комплексного использования водных ресурсов пограничных участков рек Аргунь и Амур». Под давлением китайской стороны все свелось к созданию плотин на Амуре. Сегодня Китай уже разрабатывает проекты строительства 6 плотин на русле Амура. При этом у России нет потребности в дополнительной электроэнергии, так как на Дальнем Востоке не строятся энергоемкие производства. Зато ток Бурейской ГЭС уже идет на экспорт в Китай. На повестке дня строительство Хинганской ГЭС на Амуре. Плотина перекроет реку в самом важном месте — в уникальном Хинганском ущелье.

Это далеко не полный перечень проблем, которые создают плотинные ГЭС. Есть еще экономические и социальные последствия. Но об этом чуть ниже.

Еще одна из проблем — наведенная сейсмичность, которая, как заявляют инициаторы проекта, при строительстве Алтайской ГЭС исключена.

Однако, это голословное заявление. Данная территория не изучалась достаточно полно и обстоятельно после землетрясения в сентябре 2003 года — во-первых, для этого нужны серьезные средства, а во-вторых, — время: за прошедший срок сделать полноценный научный анализ, учитывая отсутствие финансирования, нереально.

Схожая ситуация сложилась, например, у наших соседей в Казахстане1.

В течение нескольких последних лет сейсмологи республики пытаются убедить чиновников и иностранных хозяев гидросооружений в необходимости провести комплекс работ для определения сейсмической надежности действующих гидроэлектростанций.

Об этом руководитель сейсмостойкости сооружений Института сейсмологии РК д.т.н. Т. Абаканов высказал в интервью корреспонденту «Известий–Казахстан» С. Алиной по поводу сейсмической безопасности стратегических объектов — ГЭС в Восточно-Казахстанской области.

Сейсмичность территории Восточно-Казахстанской области до настоящего времени остается малоизученной. Специалисты обратили внимание на возможность возникновения в этом регионе серьезных природных бедствий только после Зайсанского землетрясения, которое произошло в июне 1990 года силой в 6,9 балла по Рихтеру.

Известия–Казахстан №22 (1051) от 22 апреля 2005.

Сразу после стихии в срочном порядке была пересмотрена карта сейсмического районирования области, подняты различные архивные материалы с наблюдениями за «дыханием земли». И обнаружили много интересных и настораживающих фактов. Оказывается, китайцы проводят описательные характеристики землетрясений уже три тысячи лет. По историческим данным, за последние два с половиной века в районе горного Алтая зафиксировано сорок крупных землетрясений, три вошли в ранг мировых катастроф. Последнее из них случилось в Монголии в году. В результате произошел разрыв земной коры длиной до двухсот километров — практически рядом с территорией Казахстана. Однако в послевоенный период такие сведения во внимание не принимались, и здесь был построен каскад гидроэлектростанций. По последним данным научных исследований, эти объекты находятся на Иртышском тектоническом разломе.

Необходимость срочного принятия конкретных мер подтвердило Чуйское землетрясение, произошедшее на сопредельной территории Казахстана и России. В некоторых казахстанских населенных пунктах интенсивность поземных толчков достигла 7-8 баллов.

Сейчас гидроэлектростанциями руководят иностранцы. Каждые пять лет на гидросооружениях проводят работы, во время которых несколько специалистов из разных ведомств за считанные дни визуально осматривают объекты. И на этом все заканчивается.

Проблемы социальные Об этих проблемах довольно подробно сказано было в Отчете Всемирной комиссии по плотинам в 2000 году1. Однако, учитывая, что подобная информация не всегда доступна, перечислим основные из них.

1. В результате переселения из зон затопления, с одной стороны, и в результате функционирования водохранилища, — с другой, в общей сложности были вытеснены с мест проживания около 40-80 миллионов человек.

2. Миллионы людей, живущих в низовьях рек, перегороженных плотинами, и особенно тех, кто зависит от пойменных ресурсов и рыболовства, существенно пострадали, а будущая продуктивность природных ресурсов в эти районах оказалась под угрозой.

3. Многие люди, вытесненные с мест проживания, не были признаны (или учтены) как пострадавшие, в результате чего они не получили компенсации.

4. Выплаченные компенсации зачастую оказывались недостаточными.

5. Пострадавшие от строительства плотин (как переселенцы или как вынужденные соседи плотин), как правило, не смогли даже восстановить свой прежний уровень жизни, не говоря уже о его повышении по сравнению с уровнем жизни до возведения плотины.

6. Уязвимые этнические группы наиболее пострадали от соседства с плотинами в результате воздействия этих сооружений на их уровень жизни, а следовательно, на культуру и религиозные устои.

7. Люди, живущие вблизи искусственных водохранилищ, а также переселенцы и население низовий зарегулированных рек чаще всего подвержены отрицательному воздействию См. Плотины и развитие: Новая методическая основа для принятия решений. Отчет Всемирной Комиссии по Плотинам. Ноябрь, 2000 г.

на здоровье и уровень жизни, вызванному изменением окружающей среды и социальной дезинтеграцией.

8. Среди пострадавшего населения женщины зачастую оказывались более затронутыми социальными последствиями и часто подвергались дискриминации.

Все это более чем справедливо и в отношении ставшего притчей во языцех проекта Катунской (ныне Алтайской, а до этого Горно-Алтайской, Еландинской ГЭС1).

Наблюдая попытки реабилитации этого проекта, можно отметить также и проблемы, связанные с нарушением законодательства.

Проблемы экономические Здесь также можно привести довольно много аргументов. В частности, в уже упоминавшемся Отчете Всемирной Комиссии по Плотинам (ноябрь, 2000 г.) приводятся основные экономические проблемы, возникающие в результате строительства плотин.

1. Плотины, как правило, не дали ожидаемых материальных результатов, не возместили затраты и с экономической точки зрения были менее выгодными, чем ожидалось.

2. Плотины, как правило, не достигают поставленных целей по срокам и объемам поставки продукции (будет ли это орошение, водоснабжение или электроэнергия).

3. Плотины, как правило, делают природу прилежащей территории более уязвимой. В ряде случаев после строительства плотины наблюдаются стихийные бедствия, которых не было на этой территории до возведения плотины. Как следствие, — увеличение расходов на ликвидацию последствий чрезвычайных ситуаций.

То, что касается экономических аспектов Алтайской ГЭС подробно уже было нами описано2. Вкратце можно еще раз отметить, что основные социально-экономические показатели этого проекта не соответствуют потребностям Республики Алтай. Иными словами, Алтайская ГЭС не решает социально-экономических проблем региона. Более того, как в процессе строительства, так и по его завершению, в процессе эксплуатации ГЭС эти проблемы будут только усугубляться.

Легенды и мифы, или Что русскому хорошо, то европейцу… Мы не будем касаться общеизвестных мифов, связанных с «прелестями»

плотинных ГЭС. Но один миф, связанный именно с идеей строительства ГЭС на реке Катуни в Республике Алтай, считаем целесообразным рассмотреть.

Это миф о том, что Республика Алтай, построив ГЭС, процветет как европейская Швейцария. Этот аргумент можно услышать довольно часто. Вот этому мифу можно уделить отдельное место.

Швейцария является туристической Меккой уже не одну сотню лет:

развитая инфраструктура, сформированное, действующее и выполняющееся Мы намерено перечисли все наименования этой плотины, так как в прессе в разное время фигурируют все эти названия.

См.: С.П. Суразакова, О.З. Енгоян «К вопросу об экономической эффективности Алтайской ГЭС»

в альманахе «Алтайский вестник», №7’2005.

(!) законодательство, которому тоже не один десяток лет. Швейцария — это международный, как сейчас принято говорить, раскрученный, продвинутый брэнд; ее туристические туры, рекреационные зоны практически не нуждаются в рекламе. Также не нуждаются в рекламе и другие ключевые для этой страны отрасли производства, например, производство швейцарских часов, которое в Швейцарии насчитывает не один век.

Все это к тому, что создание генерирующих мощностей было насущной потребностью уже существующих сфер экономики. В отличие от Швейцарии, в Республике Алтай нет развитых сфер экономики, требующих дополнительно таких генерирующих мощностей как, скажем, Алтайская ГЭС.

Нет таких производств ни в Стратегии развития Республики Алтай, ни в Концепции развития Республики Алтай, ни в одном другом документе, который должен планировать то, что в прежние времена называлось «размещение производительных сил».

Наивно рассчитывать, что создание ГЭС автоматически активизирует создание производственных предприятий, переработку продукции и тому подобные «телодвижения» в экономике Республики Алтай1. Когда проблема с генерирующими мощностями является основным препятствием к созданию производства, предприниматели решают ее иными, доступными им путями: кто-то переносит наиболее энергоемкое производство в регионы, имеющие бльшие энергоресурсы, кто-то устанавливает дизельные электростанции, кто-то рискует и начинает устанавливать так называемые альтернативные (нетрадиционные возобновляемые) источники энергии — солнечные батареи и коллекторы, биогазовые и ветроустановки.

Так что проблема не только, и, пожалуй, даже не столько в отсутствии генерирующих мощностей, сколько в комплексном подходе к решению проблем региона.

Но вернемся к Швейцарии.

Итак, гидроэнергетика была логическим (на тот исторический момент) решением социально-экономических проблем. Хотя довольно быстро этот ресурс был исчерпан, законодательство страны предусматривало достаточно серьезный социальный пакет при возведении плотинных ГЭС2. Кантоны и общины, на территории которых строились ГЭС, часть вырабатываемой электроэнергии получали бесплатно или по сниженным ценам, им выплачивалась водная и земельная ренты. Строительство ВСЕГДА сопровождалось строительством дорог, линий электропередач, поселков, систем водоснабжения и т.п. По швейцарскому законодательству, построенные электрокомпаниями гидроэлектростанции и другие Аналогом может служить, скажем, Республика Хакасия, которая, имея готовые, уже построенные ГЭС, имея низкий тариф на электроэнергию, увы, экономического прорыва до сих пор не сделала.

Авакян А.Б., Салтанкин В.П., Шарапов В.А. Природа мира. Водохранилища. — М.: Мысль, 1987.

— с. 172-176.

строительные объекты после окончания срока концессии (обычно он равен 80 годам) переходили в собственность кантона или коммун. Огромное внимание уделялось мерам по предотвращению или компенсации ущерба от создания водохранилищ. Известно немало случаем отказа от строительства гидроэлектростанций или кардинального пересмотра проектов гидроузлов с позиций охраны окружающей среды.

К сожалению, вынуждены отметить (уже в который раз!), что ни дополнительных дорог, ни линий электропередач, ни тем более строительства систем водоснабжения, ни компенсации ущерба — ничего этого внятно идеологи строительства Алтайской ГЭС не обещают. А если и обещают, то, увы, нужно отметить, что, с одной стороны, российское законодательство недостаточно разработано в том, чтобы гарантировать выполнение таких обязательств, а с другой, — чтобы отстоять свои права на подобный социальный пакет, нужно приложить немало усилий, преодолевая сопротивление не только чиновничьей среды, но и сопротивление инвестора (он заинтересован в снижении издержек), заказчика и прочих сторонников проекта. Тем более эта ситуация осложняется, когда сторонниками проекта становятся представители исполнительной и законодательной властей региона, которые начинают, с одной стороны, активную пропаганду и агитацию, а с другой, — используют для подавления недовольных так называемый административный ресурс.

Противопоставление экологии и экономики, как минимум, некорректно.

В наше время экологические технологии, как и производство экологически безопасных источников энергии становится серьезным доходным бизнесом.

Примеры? Десятки отечественных фирм практически со всех уголков России (и европейской ее части, и азиатской). Достаточно посмотреть «Каталог нетрадиционных возобновляемых источников энергии», журнал «Возобновляемая энергия», сборник «Солнце, ветер, биогаз!» и другие издания. Довольно много информации на эту тему в интернете.

Проекты масштабные Особый разговор — зарубежный опыт1. Не останавливаясь на этом детально, обратим внимание читателя на практику нашего ближайшего геополитического соседа — Китая.

Более подробную информацию можно посмотреть в сборнике «Солнце, ветер, биогаз!

Альтернативные источники энергии: экологичность и безопасность. Проблемы, перспективы, производители». — Барнаул, Изд-во Фонда «Алтай — 21 век», 2005. — 174 с.

Так, по сообщению Тихоокеанского центра окружающей среды и природных ресурсов (ПЕРК)1, Китай обеспечил себе возможность получения займа Всемирного Банка на реализацию программы по возобновляемой энергии.

Вследствие роста спроса на энергию в этой стране, в начале февраля 2006 года Всемирный Банк подтвердил свое согласие на предоставление Китаю займа в $86.33 миллиона для ускорения процесса по использованию возобновляемой энергии.

«В основе этой программы — стремление начать коммерческое, масштабное, использование возобновляемой энергии ветра, солнца и небольших гидростанций, чтобы удовлетворить быстро растущий спрос жилого сектора, ферм и коммерческих производств на электричество», — говорит Нуреддин Берра (Noureddine Berrah), ведущий специалист Китая по энергетике.

Исполнительный совет директоров Всемирного банка одобрил следующий этап проекта, разработанный в рамках 1-ой фазы Программы Китая 2005 года по увеличению масштабов применения возобновляемой энергии, который предполагает строительство крупной электростанции, работающей на энергии ветра, на территории автономного региона Внутренней Монголии2.

«Спрос на энергию в Китае, а также проблема загрязнения воздуха свидетельствуют о необходимости широкомасштабного развития возобновляемой энергии», — говорит Нуреддин Берра (Noureddine Berrah), ведущий специалист Китая по энергетике. «В основе этой программы — стремление начать коммерческое, масштабное, использование возобновляемой энергии ветра, солнца и небольших гидростанций, чтобы удовлетворить быстро растущий спрос жилого сектора, ферм и коммерческих производств на электричество».

Вследствие того, что ВВП Китая увеличился вчетверо в период с 1980 до 2000 гг., потребление энергии выросло более, чем в два раза.

Проектировочное потребление энергии свидетельствует о том, что использование ископаемого топлива может вырасти вдвое, а то и втрое к 2020 году3, т.е. до 2500–3300 миллионов тонн в угольном эквиваленте, даже если будут прилагаться все усилия по эффективному применению электроэнергии. Инвестиционный проект послужит демонстрацией успешного использования возобновляемой энергии в больших объемах, поставляемой местными производителями, в то время, пока местные инвестиционные фонды будут набирать силу.

Спецвыпуск — №06 — 2006 от 12-ое марта 2006 г. Новости о природопользовании в Тихоокеанском регионе (http://www.renewableenergyaccess.com/rea/news/story?id=43768).

Дать информацию о социально-экономическом и климатическом характере Внутренней Монголии.

В этом контексте можно рассматривать не только внутрикитайские проекты, но международные, такие как трубопроводы от российских скважин месторождений углеводородов.

Общая сумма инвестиций Всемирного банка в $67 миллионов будет непосредственно направлена на развитие ветряной электростанции Хуитенгзиль (Huitengxile) мощностью 100 МВт в автономном регионе Внутренней Монголии, где на сегодняшний момент уже производится 70 МВт ветряной электроэнергии.

Заем Международного банка реконструкции и развития (МБРР) в размере $86,33 миллионов представляет собой кредит, который может быть распределен на разные проекты внутри общего и который рассчитан на 20 лет, при этом период до начала выплаты займа составляет 5 лет. Проект, который начнется в апреле 2006 года, планируется завершить в марте года.

Проекты локальные Примеров производства экологически безопасной энергии и оборудования довольно много. Достаточно упомянуть США, Германию, Данию, Голландию, где процветают множество предприятий, производящих солнечные батареи, оборудование для ветропарков и биогазовых установок.

Однако, справедливо задать вопрос: а какими ресурсами располагает Республика Алтай для развития энергетики и решения своих социальноэкономических проблем1?

Остановимся на таком, довольно узком аспекте энергообеспечения, как теплоснабжение.

Традиционно этот вопрос в Сибири решается за счет угля, дров, дизельных электростанций. В последнее время наметился интерес к созданию малых гидроэлектростанций2; любопытство (пока, правда, только любопытство, за исключением частных случаев) вызывает солнечная и ветроэнергетика.

Как бы странно это ни звучало, но именно в плане использования солнечной энергетики для решения вопросов теплоснабжения в Республике Алтай есть серьезная база. Тем более что по отсутствию каких-либо негативных воздействий, неистощимая солнечная энергия представляет особый интерес.

Всего на территорию Республики Алтай ежегодно поступает около триллионов кВт•ч энергии в виде прямой солнечной радиации. Если солнечные лучи падают на поверхность под прямым углом, то на квадратный метр поступает более 1 кВт.

Чуйская степь, где расположен районный центр с. Кош-Агач, по количеству солнечных часов вообще является чемпионом России — солнечных дней или 2,7 тыс. часов в год. Не намного уступают чемпиону Улаганский, Усть-Канский, Шебалинский и Чемальский районы.

Говорить об энергетической бедности в случае Республики Алтай некорректно. Здесь скорее вопрос рационального и экологически безопасного использования энергоресурсов.

В Усть-Коксинском районе Республики Алтай дело уже дошло даже до бизнес-плана.

Федеральной целевой Программой «Энергоэффективная экономика» на 2002-2005 годы и на перспективу до 2010 года, принятой Постановлениями 796 и 923 Правительства Российской Федерации в конце 2001 года, предусмотрено сооружение в отдаленных селах Республики Алтай комплексов горячего водоснабжения на базе солнечных коллекторов общей тепловой мощностью 5,5 Гкал/ч (6,2 МВт).

Фотоэлектрическая станция мощностью 1 кВт за зимний день на широтах 50-52 способна выдать до 5 кВт•ч. Если не варить суп и чай на электрической плите, то, в разумных пределах, на семью1 в сутки достаточно 3 кВт•ч. Избыток может аккумулироваться.

В нашей стране имеются довольно широкие возможности применения солнечных установок для индивидуальных потребителей, особенно в сельской местности. И массовое использование солнечных установок не только позволит смягчить экологическую ситуацию, но и даст значительную экономию энергоресурсов.

Наиболее простым и эффективным является использование солнечной энергии для горячего водоснабжения и отопления.

Спектр потребителей очень широк. Это, во-первых, сезонные потребители типа спортивно-оздоровительных учреждений, баз отдыха, пионерлагерей, дачных поселков. Солнечную энергию можно использовать для обогрева открытых и закрытых плавательных бассейнов, спортивных сооружений, душевых, гелиосушилок для сена, лесоматериалов и сельскохозяйственных продуктов. В сфере сельскохозяйственного производства применение недорогих воздушных коллекторов солнечной энергии поможет решить проблему отопления животноводческих ферм.

Также целесообразно интенсифицировать работы по использованию солнечной энергии для отопления теплиц и улучшения условий труда2.

Солнечные установки отопления, безусловно, требуют капиталовложений, особенно это касается районов, лежащих севернее 45с.ш. Однако, опыт применения солнечных коллекторов в последние годы дал более чем оптимистичный прогноз: окупаемость этих установок составляет около двух лет3.

из 4-х человек.

Что в принципе актуально не только с точки зрения имиджа конечной продукции, но и в свете принятия Госдумой ряда законодательных актов, возлагающих энергообеспечение на муниципальные власти.

Это относится и к такому масштабному проекту, как горячее водоснабжение гостиницы «Барнаул», и в применении к малому бизнесу, например, солнечный коллектор в Чуй-Оозы (Онгудайский район, Республика Алтай).

И это неудивительно: даже в холодном климате скандинавских стран — Швеции и Финляндии — реализованы крупномасштабные проекты солнечных систем теплоснабжения с применением тепловых насосов и сезонных аккумуляторов теплоты, позволяющих покрывать практически всю годовую нагрузку отопления за счет солнечной энергии. Особенностью этих систем является аккумулирование теплоты солнечной радиации, поступающей в летний период, в больших подземных резервуарах или шахтных выработках и использование этой теплоты, а также энергии окружающей среды (грунта, грунтовых вод и т.п.) для отопления зданий в зимний период.

В районах с годовым приходом солнечной радиации не менее 1200 кВт•ч/м2 (напомним, количество солнечных часов приходящихся на площадь Чуйской степи в Кош-Агачском районе — 2600–2700 час/год1;

близкие значения солнечной инсоляции и в ближайших районах Республики Алтай — Улаганском, Усть-Канском, Шебалинском, Чемальском) при эффективном использовании этой энергии можно будет обеспечить порядка 25% теплопотребления в системах отопления, до 50% — в системах горячего водоснабжения и до 75% — в системах кондиционирования воздуха.

Применение солнечных установок не только замещает дефицитное топливо, но и предотвращает загрязнение окружающей среды вредными выбросами установок, использующих топливо. В удаленных от источников энергоснабжения районах использование солнечной энергии (наряду с энергией ветра) является практически наиболее оптимальной альтернативой и позволяет значительно улучшить условия жизни населения.

Наиболее просты в конструктивном отношении солнечные водонагревательные системы, имеющие годовой КПД 30-50% (в зависимости от сезона использования). Повышение эффективности гелиосистем отопления и охлаждения зданий связано с применением более совершенного гелиотехнического оборудования в сочетании с энергосбережением2.

Основная проблема в использовании солнечной энергии для отопления индивидуальных домов в нашей стране — отсутствие массового производства солнечных коллекторов, аккумуляторов солнечной энергии и другого оборудования. Ключевой вопрос — разработка, оптимизация, конструирование и производство гелиоустановок, имеющих высокую эффективность при допустимых капиталозатратах.

Но в сельской местности уже сейчас и в ближайшей перспективе можно использовать солнечную энергию для нагрева воды и отопления жилых и производственных помещений, сушки сельскохозяйственной См. Справочник по климату СССР. Вып. 20. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние. Часть I. Томская, Новосибирская, Кемеровская области и Алтайский край. — Л.: Гидрометеоиздат, 1966.

А это и оптимальные архитектурно-теплотехнические решения, направленные на сокращение тепловых потерь, и соответствующее снижение потребности в энергии; а также использование конструкции самого здания для улавливания солнечной энергии.

продукции, выращивания овощей, цветов, рассады, опреснения воды и получения умеренного холода. Хотя нет сомнений в том, что наиболее эффективные в энергетическом и экономическом отношении установки могут быть получены лишь в условиях серийного производства с использованием современных технологий, поэтому малый и средний бизнес уже сегодня могут внести достойный вклад в решение проблемы использования солнечной энергии.

Именно вопросам теории и практики изготовления солнечных коллекторов посвящены вторая и третья части настоящего издания. Авторы издания стремились, с одной стороны, дать базовую информацию о том, что собой представляют солнечные коллекторы, а с другой, — рассказать, хотя бы в общих чертах, как работают солнечные установки различного назначения, для каких целей наиболее целесообразно их использовать в настоящее время и в ближайшей перспективе, как самостоятельно рассчитать, изготовить и смонтировать простейшие солнечные установки и т.п.

В основу издания легли книги Евстигнеева В.В., Федянина В.Я., Чертищева В.В, Харченко Н.В., Мак-Вейга Д. Мы включили в издание только основные принципы расчетов, большинство формул остались неопубликованными по двум причинам: во-первых, в силу экономии места; а во-вторых, мы надеемся, что те, кто серьезно заинтересуется изготовлением (а возможно и серийным производством), наверняка, обратятся к специалистам и более солидным изданиям — справочникам, методическим пособиям, энциклопедиям и т.п.

Особую благодарность выражаем члену общественного экономического консультационного совета при Главе Республики Алтай и Российского комитета по использованию возобновляемых источников энергии, главному специалисту энергоинновационных программ Горно-Алтайского филиала Института водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской академии наук — Юрию Иванович Тошпокову за неоценимую помощь в подготовке издания.

Проблемы энергообеспечения и возможности региона • В 1600 г. во Франции был создан первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздухе и использовавшийся для перекачки воды.

• В конце XVIII в. ведущий французский химик А. Лавуазье создал первую солнечную печь, в которой достигалась температура в 1650С и нагревались образцы исследуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере, а также были изучены свойства углерода и платины.

• В 1866 г. француз А. Мушо построил в Алжире несколько крупных солнечных концентраторов и использовал их для дистилляции воды и привода насосов. На всемирной выставке в Париже в 1878 г. А. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0,5 кг мяса можно было сварить за 20 минут.

• В 1833 г. в США Дж. Эриксон построил солнечный воздушный двигатель с пароболоцилиндрическим концентратором размером 4,8х3,3 м.

• Тогда же француз А. Пифф построил паровой двигатель мощностью 500 Вт с концентратором площадью около 10 м2, который приводил в действие печатный станок в типографии, где издавалась газета «Le Soleil»

(«Солнце»).

• Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш.А. Тельером. Он имел площадь 20 м2 и использовался в тепловом двигателе, работавшем на аммиаке.

• В 1885 г. была предложена схема солнечной установки с плоским коллектором для подачи воды, причем он был смонтирован на крыше пристройки к дому.

• Первая крупномасштабная установка для дистилляции воды была построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном. Она эксплуатировалась в течение 30 лет, поставляя питьевую воду для рудника.

• Английский изобретатель А.Г. Инеас построил в штате Аризона (США) большие солнечные концентраторы для производства водяного пара давлением 10 бар, использовавшегося для перекачки воды с расходом до 320 м3/ч. Концентратор параболической формы имел диаметр 10,2 м в верхней части и 4,5 м внизу, 1788 зеркал направляли лучи на котел, расположенный в фокусе концентратора.

• В 1890 г. проф. В.К. Церасский в Москве осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией, сфокусированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000С.

Оценка энергетического потенциала солнечного излучения Интенсивность излучения у земной поверхности зависит, как правило, от географической широты местности, от скорости вращения Земли вокруг своей оси, и от угла наклона земной оси. Важным фактором является и прозрачность, чистота атмосферы.

Радиация, падающая на внешнюю границу земной атмосферы, наиболее интенсивна в январе. Однако для точек на земной поверхности изменяется и склонение солнца, что определяет продолжительность светового дня и наклон солнечных лучей к горизонту — количество солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность земли, сильно зависит от широты местности, а также от высоты над уровнем моря1. Эти астрономические факторы могут быть рассчитаны с высокой точностью.

Солнечное излучение, достигающее земной поверхности, состоит из прямого потока лучей (прямой солнечной радиации) и диффузного (рассеянного) излучения. Сумма прямого и диффузного излучения называется суммарной радиацией, а плотность потока излучения, получаемую горизонтальной поверхностью (ее энергетическую освещенность), называют инсоляцией.

На изменение интенсивности радиации у земной поверхности в значительной мере сказываются погодные факторы, имеющие зачастую случайный характер. Прозрачность атмосферы зимой, как правило, выше.

Отражение радиации от окружающей среды также непостоянно:

отражательная способность травы летом ниже, чем снега зимой. Важнейшим Например, Кош-Агач расположен на высоте 1,8 км над уровнем моря. На таких высотах воздух разреженней и, как правило, чище, прозрачней.

случайным фактором является облачность, которая меняется не только день ото дня, но и час от часу.

Поэтому при описании закономерностей поступления солнечной энергии на земную поверхность приходится говорить о наиболее вероятном значении той или иной величины для данного момента времени, используя данные многолетних метеорологических наблюдений за прямой и рассеянной солнечной радиацией.

На практике для предсказания уровня солнечной радиации в наземных условиях либо используют данные измерений солнечной радиации, полученные в предполагаемом месте эксплуатации, либо оценивают теоретически по известным метеорологическим данным.

Для грубой визуальной оценки величины солнечной радиации может быть полезна таблица 1.

Состояние облачности Ясно, голубое небо Пример Горно-Алтайск расположен на 52 параллели северной широты. В дни весеннего равноденствия солнечные лучи падают на горизонтальную плоскость под углом 38. Если принять, что под прямым углом интенсивность потока солнечной радиации составляет 1,2 кВт/м2, тогда под углом интенсивность на 1 м2 составит:

20-22 июня при максимальной продолжительности светового дня в полдень угол падения солнечных лучей на горизонтальную плоскость составит 38+2361. При этом интенсивность потока солнечной радиации В день зимнего солнцестояния угол падения солнечных лучей 38– 2315. Соответственно с одного квадратного метра можно получить Коллектор солнечной энергии представляет собой теплообменное устройство, использующее энергию излучения Солнца для увеличения температуры и, соответственно, внутренней энергии циркулирующего через солнечный коллектор теплоносителя жидкого (например, вода) или газообразного (например, воздух). Основным элементом коллектора является абсорбер (поглощающая панель), через который циркулирует жидкий или газообразный теплоноситель. В водогрейных установках, как правило, используется жидкий теплоноситель. Обращенная к солнечным лучам зачерненная поверхность абсорбера поглощает энергию солнечной радиации, и выделяющаяся тепловая энергия отводится к потребителям через теплоноситель.

Тепловая мощность солнечного коллектора — количество тепловой энергии, вырабатываемой им за секунду, — зависит от многих факторов.

Тепловая мощность выше, когда интенсивнее солнечное излучение, световые лучи падают на абсорбер примерно перпендикулярно, выше температура окружающего коллектор воздуха и сведены к минимуму тепловые потери коллектора как через нижнюю и боковые стенки корпуса, так и через прозрачное покрытие. Основной потребительской характеристикой солнечных коллекторов является теплопроизводительность — количество тепловой энергии, получаемой от солнечного коллектора за заданный промежуток времени (за световой день, месяц, сезон и т.п.), отнесенное к площади поглощающей панели.

В наибольшей степени теплопроизводительность зависит от интенсивности солнечного излучения, но на нее существенное влияние оказывает и температура наружного воздуха.

Конструктивно солнечные коллекторы, вообще говоря, отличаются значительным разнообразием как по форме (плоские или параболические — фокусирующие), так и по технологическим параметрам (с одинарным и двойным прозрачным покрытием, селективные, вакуумные и т.д.), работающие с естественной и принудительной циркуляцией теплоносителя.

В фокусирующих (зеркалами или линзами) коллекторах солнечной энергии достигается повышение плотности потока солнечной энергии.

Плоские, параболоидные или параболоцилиндрические зеркала фокусирующих солнечных коллекторов изготавливают из тонкого металлического листа, фольги или других материалов с высокой отражательной способностью; линзы — из стекла или пластмасс. Однако концентрирование солнечной энергии на абсорбере — поглощающей панели, имеющей каналы для циркулирующего теплоносителя, — как правило, требует специального механизма слежения за солнцем. Фокусирующие коллекторы обычно применяются там, где требуются высокие температуры (солнечные электростанции, печи, кухни).

Принципиальным преимуществом плоского коллектора по сравнению с фокусирующим является способность улавливать в одинаковой мере как прямую (лучистую), так и рассеянную солнечную энергию. Поэтому плоский коллектор устанавливается стационарно, и нет необходимости отслеживать положения солнца в течение дня. Видимо, поэтому плоские коллекторы солнечной энергии получили наибольшее распространение в низкотемпературных (до -100С) гелиоустановках. Их работа основана на непосредственном нагреве абсорбера солнечными лучами. Поглощающая панель (абсорбер) размещается в корпусе, обычно имеющем форму прямоугольного параллелепипеда (см. рис. 1), с однослойным или двухслойным остеклением грани, обращенной к солнцу, и непрозрачной теплоизоляцией остальных граней.

Теплоносителем обычно служит вода, а при работе солнечных коллекторов в периоды с отрицательной температурой наружного воздуха вместо воды необходимо использовать в качестве теплоносителя антифриз — раствор этиленгликоля с антикоррозийными добавками. В некоторых конструкциях в качестве теплоносителя служит воздух. Воздух не замерзает, не создает больших проблем, связанных с утечкой теплоносителя и коррозией оборудования. Однако из-за низкой плотности и теплоемкости воздуха размеры воздушных установок, расходы мощности на перекачку теплоносителя выше, чем у жидкостных систем. Поэтому при создании солнечных водогрейных установок предпочтение практически всегда отдается жидкостям.

Устройство плоского солнечного коллектора Основным элементом плоского солнечного коллектора (рис. 1) является абсорбер (1). Абсорбером может служить, например, зачерненная металлическая пластина. Обращенная к солнечным лучам поверхность абсорбера поглощает энергию солнечной радиации и нагревается. В одних конструкциях теплоноситель пропускается по трубкам (2), припаянным или приваренным к пластинам, улавливающим солнечное излучение. В других конструкциях абсорбер представляет собой штампованные пластины, в которых образованы каналы для теплоносителя (рис. 2). Теплоноситель благодаря хорошему тепловому контакту с абсорбером нагревается, и на выходе получается горячая вода. С боков и снизу корпус солнечного коллектора имеет тепловую изоляцию (3), сверху — прозрачное покрытие (4), также играющее роль тепловой изоляции.

При падении излучения на поверхность абсорбера поглощается не вся энергия — часть ее отражается. Чем выше поглощательная способность воспринимающей излучение поверхности, тем большая часть солнечной энергии будет поглощена. Если на полированную поверхность металлического листа нанести слой сажи, коэффициент поглощения возрастет до 0,96.

1 — поглощающая панель (адсорбер); 3 — корпус с тепловой изоляцией;

Нижняя и боковые стенки корпуса коллектора снабжаются тепловой изоляцией из пористого непрозрачного материала, имеющего низкую теплопроводность. Прозрачное покрытие (листовым стеклом) значительно снижает тепловые потери за счет уменьшения конвективных потерь, а также за счет избирательного пропускания излучения: стекло пропускает почти все солнечное излучение и не выпускает большую часть инфракрасного (теплового) излучения абсорбера.

Плоский коллектор с однослойным остеклением позволяет в летние дни получать воду с температурой 70-80С. В таблице 3 приведена средняя мощность в Вт такого коллектора по месяцам за ту часть суток, когда приход солнечной энергии превышает тепловые потери, для типичных условий эксплуатации весной, летом и осенью: угол наклона к горизонту 45, температура воды на выходе 50С. В нижней строке таблицы 2 приведена продолжительность такого периода в часах.

а) плоская трубчато-лепестковая; б) плоская штампованная Двухслойное остекление Потери тепла теплопроводностью через прозрачное покрытие можно сократить, используя двойное остекление с небольшим1 примерно в 1 см толщиной зазором между стеклами. Увеличить приблизительно в два раза тепловое сопротивление прозрачного покрытия можно, применив не двойное, а тройное остекление: между стеклами будет два воздушных зазора толщиной в 1 см каждый.

Вместе с тем на каждом слое стекла происходит частичное отражение света. Поэтому на практике не используют более чем трехслойное остекление, а для солнечных водогрейных установок ограничиваются двумя.

К тому же каждый слой остекления увеличивает стоимость, приводит к удорожанию конструкции.

Прозрачная теплоизоляция с сотовой ячеистой структурой ПТИ Для существенного снижения теплопотерь можно использовать ПТИ– прозрачную теплоизоляцию с сотовой ячеистой структурой (рис. 3). Эта теплоизоляция изготовлена в виде прямоугольных блоков из прозрачного материала (стекла, пластмассы) и состоит из продолговатых ячеек круглого, прямоугольного или шестиугольного сечения, напоминающих пчелиные соты. Потери на отражение света в ПТИ практически отсутствуют.

Рис. 3. Поперечное сечение прозрачной сотовой ячеистой структуры Однако стенки ячеек изготовлены из реального прозрачного материала, имеющего оптические неоднородности. На этих неоднородностях происходит частичное рассеяние света во всевозможных направлениях, в результате часть энергии все же теряется в окружающее пространство. Коэффициент потерь энергии ячеистой структурой зависит от угла падения света — он минимален при нормальном падении.

Материал для ячеек должен иметь низкую теплопроводность и выдерживать достаточно высокие рабочие температуры (250300С, именно такие температуры достижимы при использовании в качестве прозрачного чтобы предотвратить развитие конвекции.

покрытия блоков ПТИ). Толщина стенок ячеек не должна превышать 0,5 мм, а диаметр ячеек 5 мм. Рекомендованное отношение их высоты к диаметру не менее 5. Толщина серийно изготавливаемых блоков ПТИ заключена в пределах 50200 мм.

КПД солнечного коллектора КПД солнечного коллектора определяется как отношение полезной энергии, полученной коллектором, к суммарной падающей энергии солнечного излучения на плоскость солнечного коллектора.

При уменьшении плотности потока суммарной солнечной радиации КПД уменьшается до нуля и далее становится отрицательным. Это означает, что теплоноситель в солнечном коллекторе не нагревается, а остывает. Чтобы не допускать такого режима работы солнечного коллектора, необходимо обеспечить условия для своевременного прекращения циркуляции теплоносителя через солнечный коллектор.

Поступление тепла от коллектора может быть увеличено следующими способами:

• Поддержанием высокого уровня поступления солнечной радиации путем оптимальной ориентации коллектора. Оптимальная ориентация зависит, в частности, от того, для какого времени года предназначено использование коллектора. В зимнее время года поступление солнечной энергии невелико, продолжительность инсоляции короткая, а угол падения солнечных лучей на горизонтальную поверхность мал. Наиболее эффективны зимой коллекторы, расположенные на вертикальных поверхностях или имеющие большой угол наклона. Если коллектор предназначен для использования в течение всего года, то возможна установка не одного коллектора, а системы коллекторов с разными углами наклона. Возможно также использование плоских отражателей, расположенных под углом к коллектору так, чтобы отраженное солнечное излучение попадало на коллектор. На плоской крыше они могут соединять верхний край коллекторов предыдущего ряда с нижним краем коллекторов данного ряда1.

• Поддержанием на соответствующем уровне коэффициента пропускания защитного прозрачного покрытия.

• Снижением потерь тепла в подводящих трубопроводах.

Под воздушными коллекторами понимают коллекторы солнечной энергии, которые в качестве носителя теплоты используют воздух. В настоящее время они широко распространены в США и значительно меньше в странах Средней Европы. Еще менее распространены воздушные коллекторы для подогрева воды. Самый большой воздушный солнечный Однако это усложняет конструкцию крыши и приводит к удорожанию сооружения. Более целесообразно ставить коллекторы, у которых может меняться угол наклона. Это проще и дешевле, чем иметь систему с разными углами наклона.

коллектор Европы в городе Ошац вблизи Лейпцига имеет площадь около 1175 м2. Он отапливает склад стройматериалов и готовой продукции.

Воздушные коллекторы целесообразно применять для получения теплого воздуха (а не, допустим, горячей воды). Примеры применения воздушных коллекторов:

• Здания с системами воздушного отопления, такие, как спортивные залы, склады, цеха, помещения с большим потреблением наружного воздуха, а также жилые дома. В частности, в жилых домах, которые строятся в странах Западной Европы после ввода стандарта на низкое потребление энергии, доля потребления теплоты на подогрев воздуха в системе вентиляции в общем потреблении теплоты становится значительной. И система с использованием воздушного коллектора в сочетании с контролируемой вентиляцией может покрывать значительную часть требуемой теплоты. Полное обеспечение теплом от воздушных солнечных коллекторов зимой, правда, невозможно из-за неблагоприятного соотношения между количеством поступающей солнечной энергии и количеством тепла, требуемого для отопления.

• Помещения для сушки сельскохозяйственных или промышленных изделий, таких, как зерно, семена, лекарственные и пряные растения, древесина и другие стройматериалы и т.д. Осушающий потенциал воздушного солнечного коллектора лежит в диапазоне примерно от 0,2 до 0,7 кг воды за час от 1 м2 поверхности коллектора.

• Солнечные системы охлаждения.

Хотя воздушные коллекторы распространены меньше, чем жидкостные, у них имеется несколько важных преимуществ по сравнению с коллекторами на жидких теплоносителях:

— воздушные коллекторы не замерзают и зимой;

— не представляет опасности утечка теплоносителя летом при перегреве;

— значительно меньше проблем, связанных с коррозией;

— воздушные коллекторы менее требовательны к материалам и часто дешевле;

— при непосредственном использовании нагретого в коллекторах воздуха нет потерь тепла в теплообменниках;

— пожарная безопасность.

Благодаря этим достоинствам они хорошо подходят для индивидуального строительства; их легко собрать на месте предстоящего применения, что приводит к меньшим расходам. К тому же воздушные коллекторы могут быть эффективными для отопления производственных помещений, гаражей, подсобных помещений и т.д.

Вместе с тем воздушные коллекторы имеют и несколько недостатков, ограничивающих их более широкое применение:

— воздуховоды объемисты и могут сокращать полезную площадь в здании;

— им не достает эффективного аккумулирования тепла;

— теплопроизводительность систем с воздушными солнечными коллекторами ниже, чем с жидкостными, из-за низкой плотности теплоносителя;

— обычно при работе воздушного коллектора для нагнетания воздуха требуется большая электрическая мощность, чем для работы жидкостного коллектора;

— коэффициент полезного действия воздушного коллектора меньше, чем жидкостного, что, в конечном счете, определяется физическими свойствами воздуха.

Два типа конструкции воздушных коллекторов Воздушные коллекторы делают плоскими. Они состоят из корпуса, прозрачного верхнего покрытия, абсорбера и теплоизоляции нижней и боковых стенок корпуса. Относительно выбора материала для различных компонентов, корпуса и обеспечения стойкости к атмосферному воздействию нужно соблюдать те же основные правила, что и для жидкостных коллекторов.

По конструкции абсорбера различают два класса воздушных коллекторов:

• с газопроницаемыми матричными абсорберами (рис. 4);

• с воздухонепроницаемыми обтекаемыми (чаще всего с тыльной стороны) плоскими абсорберами (рис. 5).

Рис. 4. Солнечный воздушный коллектор с матричным абсорбером Воздушный коллектор с газопроницаемым матричным абсорбером (для краткости в дальнейшем будем говорить просто о матричном абсорбере) состоит из поглотителей из пористого материала с открытыми порами (здесь использован термин «матрица»). К примеру, это могут быть слои черных пористых текстильных материалов или пенопластовые пластины, которые размещают на пути воздуха как воздушные фильтры. Излучение солнца поглощается не только в поверхностном слое абсорбера, но и в его объеме.

Между прозрачным покрытием и абсорбером оставляют щель переменной ширины для подачи воздуха к абсорберу. Когда воздух фильтруется через абсорбер, тот отдает свое тепло воздуху.

Противоположность матричным представляют коллекторы с обтекаемым плоским абсорбером из герметичного материала, как правило, листового металла (короче, с обтекаемым абсорбером). Как показано на рис. 5, воздух устремляется параллельно обтекаемому абсорберу либо вдоль обеих поверхностей абсорбера, либо только вдоль его тыльной поверхности. Тепло отдается стенками абсорбера воздуху конвекцией и теплопроводностью.

Когда коллектор используется для подогрева наружного воздуха, обычно выгоднее коллекторы с газопроницаемым матричным абсорбером. Дело в том, что когда наружный воздух имеет низкую температуру, прозрачное верхнее покрытие оказывается холодным, и при использовании конструкции с воздухонепроницаемым абсорбером, обтекаемым воздухом с обеих сторон, тепловые потери через прозрачное покрытие велики. В этом случае, или если в обычных условиях требуется нагревать воздух до более высокой воздухонепроницаемый абсорбер обтекается воздухом только с тыльной стороны. Нагретый воздух тогда не имеет непосредственного контакта с холодным прозрачным верхним покрытием, и коэффициент теплоотдачи получается ниже.

Рис. 5. Солнечный воздушный коллектор с воздухонепроницаемым абсорбером Предусмотреть хорошую передачу теплоты от абсорбера к теплоносителю и обеспечить достаточно высокий коэффициент эффективности абсорбера при конструировании воздушных коллекторов еще важнее, чем при конструировании жидкостных коллекторов.

Теплопроводность воздуха в 24 раза меньше теплопроводности воды.

Поэтому нужно стремиться создать по возможности большую поверхность теплообмена и узкое поперечное сечение воздушного потока. Вместе с тем нужно предусмотреть, чтобы гидравлическое сопротивление — и соответственно расход электроэнергии на работу вентиляторов, обеспечивающих движение теплоносителя, — не были большими.

В канале гидравлическое сопротивление потоку быстро растет с ростом средней скорости воздуха. И хотя коэффициент теплоотдачи от абсорбера воздуху при этом тоже, вообще говоря, может расти, его рост будет происходить медленнее. В конкретных конструкциях воздушные каналы в коллекторе следует оптимизировать. Цель оптимизации состоит в том, чтобы при по возможности большей поверхности контакта с абсорбером для эффективной теплоотдачи в них не было чрезмерного падения давления воздуха.

Замечание Воздушные коллекторы не обладают высоким коэффициентом полезного действия, но они просты и дешевы в изготовлении и в эксплуатации. Для создания долговечных и устойчивых к погодным воздействиям в условиях сурового климата конструкций целесообразно использовать в качестве теплоизолятора пеностекло.

Загрязнение коллектора На практике, как правило, замкнутая циркуляция воздуха через воздушный коллектор не применяется — обычно в коллектор всасывается свежий воздух. Поэтому неизбежно постепенное загрязнение его внутренних поверхностей. Это необходимо учитывать при выборе конструкции коллектора. За длительный период эксплуатации и матричный, и обтекаемый абсорберы постепенно будут загрязняться. Это будет приводить и к ухудшению поглощательной способности абсорбера, и к уменьшению коэффициента пропускания прозрачного покрытия. У матричного абсорбера могут существенно возрастать потери напора, так как его поры будут постепенно забиваться пылью и грязью. И если предполагается применение коллектора в условиях значительного запыления и загрязнения воздуха, предпочтение следует отдать коллекторам с обтекаемым абсорбером.

Примеры исполнения конструкций воздушного коллектора На рис. 6 представлен пример коллектора с газопроницаемым матричным абсорбером, предназначенного для сушки семян, а в таблице 3 — основные его характеристики. В качестве газопроницаемого абсорбера использован нетканый текстильный материал из полипропиленового волокна.

Воздушный канал образован прозрачной эфиропластовой пленкой (сверху) и закрепленной на Z-образном алюминиевом профиле пенополиуретановой пластиной (снизу). Для защиты прозрачного пленочного покрытия коллектора от погодных воздействий устанавливаются гофрированные плексигласовые листы или плоское листовое стекло.

Рис. 6. Воздушный солнечный коллектор для сушилки семян На рис. 7 изображена система фасадного воздушного коллектора с матричным абсорбером без прозрачного покрытия. Воздушный коллектор с матричным абсорбером размещен на фасаде строения. Он состоит из темных алюминиевых перфорированных листов. Отверстия диаметром около 1,5 мм просверлены по всему листу с шагом 20 мм как по горизонтали, так и по вертикали.

На рис. 13 изображен воздушный коллектор с обтекаемыми абсорберами из алюминия. Высота канала абсорбера может составлять в зависимости от размера воспринимающей излучение площади коллектора 28, 50 или 95 мм.

Скорость потока в коллекторах составляет от 4 до 7 м/с. Если снабдить его фотоэлектрическим модулем, то вырабатываемый фотоэлектрическим модулем ток будет питать электродвигатель вентилятора, в результате система станет независимой от электросетей. Такая система может использоваться, например, для вентиляции строений, не обитаемых постоянно, таких как садовые домики или дачи.

Рис. 8. Воздушный коллектор с обтекаемым (с тыльной стороны) абсорбером В системе отопления с воздушными коллекторами тепло должно передаваться от твердых элементов системы к воздуху или обратно в трех точках:

• от нагретых солнечным излучением элементов к воздуху в коллекторе;

• от нагретого воздуха к аккумулятору тепла;

• от аккумулятора тепла к воздуху в периоды регенерации.

В каждой из этих трех точек имеются потери, снижающие эффективность системы.

Аккумулятор тепла должен не только обладать высокой тепловой емкостью, но и иметь большую поверхность теплообмена. Обычно в таких аккумуляторах используется галька или гравий. Вместо гравия в корпусе аккумулятора можно поместить небольшие контейнеры, наполненные легкоплавкими солями.

Сочетать эту систему с аппаратурой для горячего водоснабжения трудно, но возможно.

Необходимость аккумулирования теплоты в гелиосистемах обусловлена тем, что поток солнечной энергии изменяется в течение суток и в течение года.

Запас энергии в аккумуляторе может быть рассчитан на несколько часов или суток при краткосрочном аккумулировании и на несколько месяцев — при сезонном аккумулировании. В целом же применение аккумулятора теплоты повышает эффективность гелиосистемы и надежность теплоснабжения.

Низкотемпературные системы аккумулирования теплоты охватывают диапазон температур от 30 до 100С и используются в системах воздушного (30С) и водяного (30–90С) отопления и горячего водоснабжения (45–60С).

Система аккумулирования теплоты, как правило, содержит:

— резервуар, — теплоаккумулирующий материал, с помощью которого осуществляется накопление и хранение тепловой энергии, — теплообменные устройства для подвода и отвода теплоты при зарядке и разрядке аккумулятора и — тепловую изоляцию.

Аккумуляторы можно классифицировать по характеру физикохимических процессов, протекающих в теплоаккумулирующих материалах (ТАМ):

• аккумуляторы, емкостного типа, в которых используется теплоемкость нагреваемого (охлаждаемого) аккумулирующего материала без изменения его агрегатного состояния (природный камень, галька, вода, водные растворы солей и др.);

• аккумуляторы фазового перехода вещества, в которых используется теплота плавления (затвердевания) вещества;

• аккумуляторы энергии, основанные на выделении и поглощении теплоты при обратимых химических и фотохимических реакциях.

В аккумуляторах первой группы происходят последовательно или одновременно процессы нагревания и охлаждения теплоаккумулирующего материала либо непосредственно за счет солнечной энергии, либо через теплообменник. Этот способ аккумулирования тепловой энергии наиболее широко распространен. Основным недостатком аккумуляторов этого типа является их большая масса и как следствие этого — потребность в больших площадях и строительных объемах в расчете на 1ГДж аккумулируемой теплоты. Сравнение различных теплоаккумулирующих материалов приведено в таблице 4.

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м•К) 0,45 0, Масса ТАМ для аккумулирования 1 ГДж теплоты при Т=20 К, кг Относительная масса ТАМ по отношению к массе воды, кг/кг Объем ТАМ для аккумулирования 1 ГДж теплоты при ДГ=20 К, м Относительный объем ТАМ по отношению к объему воды, м3/м Примечания:

1. Обозначения степени следующие:

т — твердое состояние; ж — жидкое состояние; — с учетом объема пустот — 25%.

2. Температура и теплота плавления: парафин — 47С и 209 кДж/кг;

глауберова соль — 32С и 251 кДж/кг.

Аккумуляторы теплоты емкостного типа Это наиболее широко распространенные устройства для аккумулирования тепловой энергии. Теплоаккумулирующую способность или количество теплоты (кДж), которое может быть накоплено в аккумуляторе теплоты емкостного типа, определяют по формуле где m — масса теплоаккумулирующего вещества, кг;

Ср — удельная изобарная теплоемкость вещества, кДж/(кг•К);

T2 и T1 —средние значения начальной и конечной температур теплоаккумулирующего вещества, С.

Наиболее эффективный теплоаккумулирующий материал в жидкостных солнечных системах теплоснабжения — это вода. Для сезонного аккумулирования теплоты перспективно использование подземных водоемов, грунта, скальной породы и других природных образований.

В крупномасштабных системах достаточно успешно используют железобетонные и стальные резервуары вместимостью до 100 тыс. м3, в которых горячая вода, обладающая значительной теплоемкостью, может сохранять при температуре 80–95С до 8 тыс. ГДж теплоты. Они достаточно просты в эксплуатации, но требуют больших капиталовложений.

Целесообразно их использование совместно с тепловыми насосами, в этом случае их теплоаккумулирующая способность может удвоиться за счет более глубокого (до 5С) охлаждения воды в резервуаре.

Положительный опыт в сезонном аккумулировании теплоты накоплен в Швеции1, где успешно эксплуатируются крупные гелиотеплонасосные системы теплоснабжения целых поселков. Однако для индивидуального потребления наибольший интерес представляют аккумуляторы теплоты для небольших солнечных установок горячего водоснабжения и отопления.

Рис. 9. Аккумуляторы теплоты емкостного типа — водяной (а) и галечный (б):

На рис. 10 показаны примеры конструктивного исполнения баков аккумуляторов вместимостью 200–500 л, применяемые в водонагревательных установках с естественной и принудительной циркуляцией. Как правило, используется вертикальный стальной бак высотой в 3–5 раз больше его диаметра для обеспечения температурного расслоения воды. Тепловые потери бака снижаются путем применения теплоизоляции типа стекловаты толщиной не менее 50 мм. Внутренняя поверхность бака, контактирующая с водопроводной водой, должна быть защищена от коррозии. Для этого бак должен быть изготовлен из нержавеющей стали, иметь эмалевое покрытие или анод из магния или анодную защиту с внешним источником электричества. В баке могут быть предусмотрены горизонтальные перегородки (рис. 10, а и г), поплавковый клапан для подвода холодной воды (рис. 10, б) и труба для ее поступления в нижнюю часть бака, теплообменник В качестве примера серьезного отношения к солнечной энергетике в Швеции можно привести законодательную норму, согласно которой при индивидуальной застройке застройщику, использующему солнечные коллекторы и представившему заключение специальной экспертизы (о том, сколько тонн условного топлива будет экономиться, благодаря солнечным коллекторам) — компенсируется экономия.

в двухконтурной системе для подвода теплоты от КСЭ (рис. 10, в и г), электронагреватель и теплообменник для отвода теплоты в систему отопления (рис. 10, г). Перегородки разделяют бак на секции с различными уровнями температуры воды по высоте, так что в верхней части бака вода имеет более высокую температуру, чем в нижней. Это повышает эффективность аккумулирования теплоты. В схемах а и б теплоносителем в КСЭ служит вода, а в схемах в и г — антифриз, поэтому используется теплообменник для передачи теплоты от антифриза к воде.

а — бак с подводом холодной воды снизу и 1 — теплоизолированный корпус;

в — бак с подводом теплоты из КСЭ через 5 — поплавковый клапан;

В солнечных воздушных системах теплоснабжения обычно применяются галечные аккумуляторы теплоты, представляющие собой емкости круглого или прямоугольного сечения, содержащие гальку размером 20–50 мм в виде насадки из плотного слоя частиц. Аккумуляторы этого типа обладают рядом достоинств, но по сравнению с водяным аккумулятором в этом случае требуется больший объем. Галечный аккумулятор может располагаться вертикально или горизонтально.

Горячий воздух, поступающий днем из солнечного коллектора в аккумулятор, отдает гальке свою теплоту, и таким образом происходит зарядка аккумулятора. При разрядке аккумулятора ночью или в ненастную погоду воздух движется в обратном направлении и отводит теплоту к потребителю.

Однако, при одинаковой энергоемкости объем галечного аккумулятора теплоты в 3 раза больше объема водяного бака-аккумулятора.

Аккумуляторы теплоты фазового перехода Основное преимущество теплоты с фазовым переходом — высокая удельная плотность энергии, благодаря чему существенно уменьшаются масса и объем аккумулятора по сравнению с емкостными аккумуляторами.

Для низкотемпературных солнечных систем теплоснабжения в аккумуляторах фазового перехода наиболее пригодны органические вещества (парафин и некоторые жирные кислоты) и кристаллогидраты неорганических солей, например гексагидрат хлористого кальция СаСl2•6Н20 или глауберова соль Na2SO4•10H2O, плавящиеся при 29 и 32С соответственно. При использовании кристаллогидратов возможно разделение смеси и ее переохлаждение, вызывающие нестабильность этих недорогих веществ и снижающие число рабочих циклов. Для устранения этих недостатков к теплоаккумулирующему материалу добавляют специальные вещества, которые обеспечивают равномерную кристаллизацию расплава и способствуют длительному использованию материала в многократных циклах плавления — затвердевания. Для организации эффективного теплообмена используются оребренные поверхности, капсулы, заполненные теплоаккумулирующим материалом, а также теплопроводные матрицы (ячеистые структуры). Это необходимо в первую очередь при использовании органических веществ, имеющих очень низкий коэффициент теплопроводности [0,15 Вт/(м•С)].

Солнечный пруд В солнечном пруду происходит одновременно улавливание и накапливание солнечной энергии в большом объеме жидкости. Обнаружено, что в некоторых естественных соленых озерах температура воды у дна может достигать 70С. Это обусловлено высокой концентрацией соли. В обычном водоеме поглощаемая солнечная энергия нагревает в основном поверхностный слой, и эта теплота довольно быстро теряется, особенно в ночные часы и при холодной ненастной погоде из-за испарения воды и теплообмена с окружающим воздухом. Солнечная энергия, проникая через всю массу жидкости в солнечном пруду, поглощается окрашенным в темный цвет дном и нагревает прилегающие слои жидкости, в результате чего температура ее может достигать 90–100С в то время как температура поверхностного слоя остается на уровне 20С. Благодаря высокой теплоемкости воды в солнечном пруду за летний сезон накапливается большое количество теплоты, и вследствие низких тепловых потерь падение температуры в нижнем слое в холодный период года происходит медленно, так что солнечный пруд служит сезонным аккумулятором энергии. Теплота к потребителю отводится из нижней зоны пруда.

Рис. 11. Схема солнечного пруда (а) и изменения температуры (б) 2 — изолирующий слой с увеличивающейся 4 — теплообменник.

книзу концентрацией;

Схема солнечного пруда и график изменения температуры по его глубине даны на рис. 11. Обычно глубина пруда составляет 1–3 м. На 1 м площади пруда требуется 500–1000 кг поваренной соли, ее можно заменить хлоридом магния.

Описанный эффект достигается благодаря тому, что по глубине солнечного пруда поддерживается градиент концентрации соли, направленный сверху вниз, т.е. весь объем жидкости как бы разделен на три зоны, концентрация соли в которых возрастает от поверхности к дну.

Верхний тонкий слой (10–20 мм) практически пресной воды граничит с неконвективным слоем жидкости большой толщины, в котором концентрация соли по глубине постепенно увеличивается и достигает максимального значения на нижнем уровне. Толщина этого слоя составляет 2/3 общей глубины водоема. В нижнем конвективном слое концентрация соли максимальна и равномерно распределена в объеме жидкости. Итак, плотность жидкости максимальна у дна пруда и минимальна у его поверхности в соответствии с распределением концентрации соли. Солнечный пруд служит одновременно коллектором и аккумулятором теплоты и отличается низкой стоимостью по сравнению с обычными коллекторами солнечной энергии (КСЭ). Отвод теплоты из солнечного пруда может осуществляться либо посредством змеевика, размещенного в нижнем слое жидкости, либо путем отвода жидкости из этого слоя в теплообменник, в котором циркулирует теплоноситель. При первом способе меньше нарушается температурное расслоение жидкости в пруду, но второй способ теплотехнически более эффективен и экономичен.

Солнечные пруды могут быть использованы в гелиосистемах отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, для получения технологической теплоты, в системах кондиционирования воздуха абсорбционного типа, для производства электроэнергии.

Солнечные водонагревательные установки В районах, имеющих более 1800 ч солнечного сияния в год1, целесообразно использовать солнечную энергию для теплоснабжения зданий.

Солнечные водонагревательные установки получили довольно широкое распространение благодаря простоте их конструкции, надежности, быстрой окупаемости.

Максимальная суточная производительность плоского солнечного коллектора Братского завода равна 70–100 л горячей воды на 1 м2 площади КСЭ в летний солнечный день, а годовая экономия топлива от применения солнечных систем теплоснабжения составляет 100–170 кг условного топлива на 1 м2 площади КСЭ в зависимости от района страны, в котором установлены коллекторы.

К концу 80-х гг. XX века во всем мире в эксплуатации находились уже более 5 млн. солнечных водонагревательных установок, используемых в индивидуальных жилых домах, централизованных системах горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, включая гостиницы, больницы, спортивно-оздоровительные учреждения и т.п. В технологически развитых странах (Япония, США, Индия, Франция и др.) налажено промышленное производство солнечных водонагревателей.

По принципу работы солнечные водонагревательные установки можно разделить на два типа: установки с естественной (пассивные) и принудительной циркуляцией теплоносителя. В последние годы все больше производится пассивных водонагревателей, которые работают без насоса, а следовательно, не потребляют электроэнергию. Они проще в конструктивном отношении, надежнее в эксплуатации, почти не требуют ухода, а по своей эффективности практически не уступают солнечным водонагревательным установкам с принудительной циркуляцией. Более половины пассивных водонагревателей составляют установки термосифонного типа с естественной циркуляцией, а остальные — это компактные водонагреватели, в которых бак-аккумулятор горячей воды и коллектор солнечной энергии объединены (интегрированы) в единое компактное устройство.

Водонагреватели с естественной циркуляцией воды Принцип работы солнечной водонагревательной установки термосифонного типа с естественной циркуляцией теплоносителя показан на Еще раз напомним, что для юга Западной Сибири характерна инсоляция в размере порядка 2– 2,5 тысяч часов солнечного сияния в год.

рис. 12, а. Установка содержит коллектор солнечной энергии, бакаккумулятор горячей воды, подъемную трубу и опускную трубу. В нижнюю часть бака-аккумулятора подводится холодная вода (ХВ), и из его верхней части отводится к потребителям горячая вода (ГВ). Перечисленные элементы образуют контур естественной циркуляции воды. По подъемной трубе горячая вода из коллектора солнечной энергии поступает в бак-аккумулятор, а по опускной трубе из бака в коллектор поступает более холодная вода для нагрева за счет поглощенной солнечной энергии. Поскольку средняя температура воды в подъемной трубе выше, чем в опускной, плотность воды, напротив, ниже во второй трубе. И вследствие этого возникает разность давлений (Па), вызывающая движение воды в контуре циркуляции.

Рис. 12. Схема (а) и конструкция (б) солнечного водонагревателя а: 1 — солнечный коллектор; 2 — бак-аккумулятор горячей воды;

Очевидно, что чем больше разность температур воды, тем больше разность давлений и интенсивнее движение воды.

водонагревательной установки термосифонного типа является тепловая изоляция всех нагретых поверхностей — прежде всего бака-аккумулятора, подъемной и опускной труб, патрубка для отвода горячей воды к водоразборным кранам или душу и воздушника. Толщина тепловой изоляции бака должна быть 50–75 мм при использовании минеральной ваты или другого материала с коэффициентом теплопроводности 0,04–0,045 Вт/(м•К), а для трубопроводов — от 25 мм для опускной трубы до 50 мм для подъемного и соединительных трубопроводов. Точка присоединения подъемной трубы к баку-аккумулятору должна находиться в верхней части бака на расстоянии не менее 2/3 высоты бака от его днища, а патрубок для подпитки холодной воды следует присоединять к нижней части бака. При необходимости использования электронагревателя для догрева воды внутри бакааккумулятора его необходимо располагать горизонтально и размещать в верхней части бака. При соблюдении указанных условий обеспечивается температурное расслоение (стратификация) жидкости по высоте бака, при этом температура воды в нижней части бака ниже, чем в верхней. Благодаря этому в коллектор поступает вода с невысокой температурой, КПД коллектора возрастает и солнечная энергия используется более эффективно.

Более высокое положение бака-аккумулятора относительно коллектора солнечной энергии в водонагревательных установках термосифонного типа имеет важное значение не только для обеспечения циркуляции теплоносителя в дневное время (на схеме направление движения — по часовой стрелке), но также и для предотвращения циркуляции воды в обратном направлении — против часовой стрелки — в ночное время. Это возможно при низком положении бака, когда горячая вода из верхней части бака ночью поступает в коллектор, там она охлаждается за счет излучения энергии в окружающее пространство и конвекции и возвращается в нижнюю часть бака. Естественно, это нежелательный процесс, так как он вызывает потери энергии, и для его предотвращения бак-аккумулятор должен быть установлен так, чтобы его днище было выше верхней отметки наклонного коллектора солнечной энергии на 300–600 мм.

Солнечные водонагревательные установки с естественной циркуляцией теплоносителя являются саморегулирующимися системами, и расход жидкости в них полностью определяется интенсивностью поступающего солнечного излучения, а также теплотехническими и гидравлическими характеристиками солнечного коллектора, бака-аккумулятора и соединительных трубопроводов.

Рис. 13. Компактный солнечный водонагреватель емкостного типа а — с одной или несколькими емкостями с 1 — корпус; 4 — подвод холодной воды;

б — с отражателем солнечной энергии; 3 — емкость; 6 —отражатель В условиях холодного климата в солнечном коллекторе следует использовать незамерзающий теплоноситель — смесь воды с этилен- или пропиленгликолем, глизантин (смесь воды с глицерином) и др. В этом случае схема становится двухконтурной. Пример конструктивного выполнения водонагревателя с антифризом в контуре коллектора показан на рис. 12, б.

Теплота, полученная незамерзающим теплоносителем в коллекторе, передается воде посредством теплообменника, размещенного в нижней части бака-аккумулятора. По санитарно-гигиеническим нормам вода должна быть надежно защищена от попадания теплоносителя, содержащего токсические вещества.

Говоря о компактных интегрированных водонагревателей, обратим внимание на исходную конструкцию, схематически показанную на рис. 13, а.

В теплоизолированном корпусе с остекленной верхней крышкой (2) размещена емкость (3) с черной или селективной наружной поверхностью.

Для подвода холодной и отвода горячей воды предусмотрены патрубки.

Эффективность водонагревателя можно повысить с помощью отражателя, имеющего специальную форму и помещенного внутри корпуса (рис. 13, б).

КПД компактных водонагревателей достигает 60%. На рис. 14 (а, б) показана конструкция компактного водонагревателя с солнечным коллектором, выполненным из тепловых труб с надетыми на них с помощью пружинящих прижимов плоскими ребрами, имеющими селективное покрытие в виде фольги, приклееваемой к ребрам. Теплота от абсорбера коллектора передается баку-аккумулятору контактным способом с помощью листа, приваренного к ребрам и соприкасающегося со всей поверхностью днища бака. Площадь солнечного коллектора составляет всего 1,4–1,6 м2, объем аккумулятора равен 60–100 л, КПД водонагревателя равен 60%. Благодаря применению тепловых труб эффективность теплообмена достаточна высока, и вода, поступающая в бак, нагревается за счет теплоты, подводимой от коллектора с помощью контактного листа. В этом случае полностью исключается возможность загрязнения воды рабочей жидкостью, находящейся в тепловых трубах.

б) Типичная конфигурация бака-аккумулятора компактного водонагревателя б) 1 — автоматический воздушный клапан; 3 — вода в коллектор;

2 — подвод воды через поплавковый клапан; 4 — нагретая вода из коллектора;

Водонагревательные установки с принудительной циркуляцией Установки с принудительной циркуляцией теплоносителя целесообразно использовать для горячего водоснабжения крупных объектов. В них солнечный коллектор представляет собой большой массив модулей КСЭ. Эти установки имеют большую теплопроизводительность, но, как правило, они довольно сложны. Принципиальная схема установки с циркуляцией воды в контуре КСЭ с помощью насоса подачей холодной воды в бак-аккумулятор и регулированием температуры горя чей воды, поступающей к потребителю, путем подмешивания холодной воды в смесительном клапане показана на рис. 15.

Рис. 15. Солнечная водонагревательная установка с принудительной циркуляцией В холодном климате, как правило, применяются двухконтурные схемы водонагревательных установок (рис. 16). В первом контуре, состоящем из солнечного коллектора и теплообменника с циркуляционным насосом и расширительным баком, используется незамерзающий теплоноситель. Второй контур образуют бак-аккумулятор, теплообменник и электрический или газовый котел. Холодная вода подводится в нижнюю часть бакааккумулятора, а вода, нагретая в теплообменнике, поступает в верхнюю часть бака, а оттуда через автоматический смесительный клапан и котел подается к потребителям. Все оборудование, кроме солнечного коллектора, устанавливаемого снаружи, размещается в здании, поэтому подобные системы могут эксплуатироваться и в холодный период года. Газовый котел предназначен для доведения температуры горячей воды, предварительно нагретой за счет солнечной энергии, до требуемого значения. При отсутствии солнечной радиации или недостаточном ее поступления вся тепловая нагрузка горячего водоснабжения обеспечивается газовым котлом.

Солнечные водонагреватели могут использоваться в качестве первой ступени для предварительного подогрева воды в обычных топливных системах горячего водоснабжения жилого здания.

Рис. 16. Двухконтурная схема солнечной водонагревательной установки 3 — аккумулятор горячей воды; 7 — автоматический смесительный клапан;

Для достижения высокой эффективности всей гелиотопливной системы горячего водоснабжения следует избегать смещения горячей и холодной жидкости в баке-аккумуляторе, для чего в нем необходимо поддерживать температурное расслоение (стратификацию) жидкости. Горячая жидкость имеет меньшую плотность, чем холодная, и поэтому она находится в верхней части бака, а температура в нем уменьшается сверху вниз. Жидкость подается в солнечный коллектор из нижней части бака, где она имеет наиболее низкую температуру, и благодаря этому обеспечивается более высокий КПД коллектора. Нагретая жидкость из коллектора подается в верхнюю зону бака.

Для обеспечения температурной стратификации жидкости в баке можно, в частности, использовать перфорированные горизонтальные перегородки, разделяющие бак на две или несколько зон и предотвращающие перемешивание слоев жидкости с разными температурами. Отводить горячую воду к потребителю необходимо из верхней части бака, где также можно установить электронагреватель, который будет обеспечивать требуемую температуру горячей воды при любых погодных условиях. Однако наилучшим решением является использование двух баков-аккумуляторов — одного с высокой температурой жидкости, а второго — с низкой.

Рис. 17. Схемы водовода теплоты от дополнительного источника энергии По экономическим соображениям за счет солнечной энергии целесообразно покрывать до 80% нагрузки горячего водоснабжения, поэтому необходимо использовать наряду с коллектором солнечной энергии (КСЭ) также дополнительный источник энергии (ДИЭ). На рис. 17 показаны различные схемы подвода энергии от ДИЭ:

а) непосредственно в бак-аккумулятор (AT);

б) к горячей воде (ГВ) на выходе из бака-аккумулятора или в) к холодной воде (ХВ) на байпасной1 линии.

В качестве ДИЭ может использоваться электронагреватель или топливный котел. Циркуляция теплоносителя в контуре КСЭ осуществляется насосом Н. Изменение эффективности системы в зависимости от применяемого способа подвода дополнительной энергии связано со средним уровнем температуры воды в коллекторе. При подводе дополнительной энергии непосредственно в бак-аккумулятор (рис. 17, а) повышается средняя температура теплоносителя в коллекторе, а следовательно, снижается его КПД и теплопроизводительность и в результате увеличивается потребление дополнительной энергии. Это означает, что солнечная энергия используется недостаточно эффективно. Наилучшим образом солнечная энергия используется при последовательной схеме подключения дублирующего источника энергии (рис. 17, б). В этом случае вода предварительно подогревается за счет солнечной энергии до сравнительно невысокой температуры, поэтому средний уровень температуры теплоносителя в коллекторе низкий, а КПД и теплопроизводительность коллектора максимальны. Схема подвода дополнительной энергии в холодной воде в байпасной линии (рис. 17, в) наименее удачна, так как при этом недостаточно полно используется солнечная энергия из-за того, что часть воды вообще не нагревается ею, а поступает сразу в топливный дублер. Что же касается КПД и теплопроизводительности самого коллектора, то в этом отношении данная схема аналогична второй схеме.

Для теплоснабжения (отопления) зданий в наших северных широтах расходуется значительная часть всех потребляемых топливно-энергетических ресурсов. Использование солнечной энергии для этих целей позволит получить существенную экономию. Уже сейчас в различных районах южной части нашей страны эксплуатируются опытные солнечные установки теплоснабжения зданий2.

Различают активные и пассивные системы солнечного теплоснабжения зданий. Характерным признаком активных систем является наличие коллектора солнечной энергии, аккумулятора теплоты, дополнительного Байпас (от англ. bypass) — обход, обходный путь.

См., например, в Приложении об опыте Республики Алтай.

источника энергии, трубопроводов, теплообменников, насосов или вентиляторов и устройств для автоматического контроля и управления. В пассивных системах роль солнечного коллектора и аккумулятора теплоты обычно выполняют сами ограждающие конструкции здания, а движение теплоносителя (воздуха) осуществляется за счет естественной конвекции без применения вентилятора. В странах ЕЭС в 2000 г. пассивные гелиосистемы позволяют экономить порядка 50 млн. т нефти в год.

Наиболее эффективно гелиосистема теплоснабжения работает, конечно, в том случае, когда уже на стадии разработки конструкции самого здания учтены требования, направленные на снижение потребности в тепловой энергии. Это лучше всего достигается в так называемых энергоэффективных (или свехизолированных) домах, имеющих хорошую тепловую изоляцию стен, потолка, пола и максимально герметичную конструкцию наружных ограждений. В таких домах коэффициент теплопотерь для стен составляет всего 0,15 Вт/(м2•С), а попадание наружного воздуха в здание сведено к минимуму.

Другой аспект, на который нужно обратить внимание — использование высокоэффективных окон, например со специальными покрытиями на стекле или полимерных пленках, расположенных между двумя слоями стекла. Могут использоваться покрытия, обеспечивающие высокую пропускательную способность по отношению к солнечной энергии, и покрытия с низкой излучательной способностью для теплового излучения. При применении таких окон температура внутренней поверхности повышается, и благодаря этому уменьшается конденсация водяных паров на стекле и увеличивается ощущение комфорта. Применение специальных окон, герметичных рам с вакуумированным зазором между двумя слоями остекления наряду с уменьшением теплопотерь также снижает уровень проникающего шума.

Итак, в зданиях, в которых предусматривается эффективное использование солнечной энергии, должен быть обеспечен высокий уровень сохранения энергии, особенно в условиях холодного климата. При этом мощность гелиосистемы и дополнительного источника энергии, а также их размеры и стоимость будут минимальными.

Пассивные гелиосистемы отопления зданий Для отопления зданий используются следующие типы пассивных гелиосистем:

• с прямым улавливанием солнечного излучения, поступающего через остекленные поверхности большой площади на южном фасаде здания (рис. 18, а) или через примыкающую к южной стене здания солнечную теплицу (зимний сад, оранжерею) (рис. 18, б);

• с непрямым улавливанием солнечного излучения, т.е. с теплоаккумулирующей стеной, расположенной за остеклением южного фасада (рис. 18, в);

• с контуром конвективной циркуляции воздуха и галечным аккумулятором теплоты. Дом с такой системой показан на рис. 19, а. Кроме того, могут использоваться гибридные системы, включающие элементы пассивной и активной гелиосистемы.

а — с прямым улавливанием солнечной энергии; б — с пристроенной теплицей;

Пассивные системы составляют часть самого здания, которое должно проектироваться таким образом, чтобы обеспечивать наиболее эффективное использование солнечной энергии для отопления. Наряду с окнами и остекленными поверхностями южного фасада для улавливания солнечного излучения также используются остекленные проемы в крыше и дополнительные окна в верхней части здания, которые повышают уровень комфорта человека, так как исключают прямое попадание солнечных лучей в лицо. Одно из важнейших условий эффективной работы пассивной гелиосистемы заключается в правильном выборе местоположения и ориентации здания для максимального поступления и улавливания солнечного излучения в зимние месяцы.

Пассивные системы просты, но для их эффективной работы требуются регулирующие устройства, управляющие положением тепловой изоляции светопрозрачных поверхностей, штор, заслонок в отверстиях для циркуляции воздуха в теплоаккумулирующей стене и т.п.

Прямое улавливание солнечной энергии может эффективно осуществляться при соблюдении следующих условий:

1) оптимальная ориентация дома — вдоль оси восток— запад или с отклонением до 30 от этой оси;

2) на южной стороне дома должно быть сосредоточено не менее 50–70% всех окон, а на северной — не более 10%, причем южные окна должны иметь, как минимум, двухслойное остекление, а северные окна — трехслойное (не менее);

3) здание должно иметь улучшенную тепловую изоляцию и низкие теплопотери вследствие инфильтрации наружного воздуха;

4) внутренняя планировка здания должна обеспечивать расположение жилых комнат с южной стороны, а вспомогательных помещений — с северной;

5) должна быть обеспечена достаточная теплоаккумулирующая способность внутренних стен и пола для поглощения и аккумулирования теплоты солнечной энергии;

6) для предотвращения перегрева помещений в летний период над окнами должны быть предусмотрены навесы, козырьки и т.п. КПД такой системы отопления, как правило, составляет 25–30%, но в особо благоприятных климатических условиях может быть значительно выше и достигать 60%. Существенным недостатком этой системы являются большие суточные колебания температуры воздуха внутри помещений.

Пассивные системы прямого улавливания солнечной энергии наиболее выгодны (с экономической точки зрения) для вновь строящихся зданий.

Пассивные системы вообще имеют такой же срок службы, как и само здание, и весьма низкие текущие эксплуатационные расходы1.

Наряду с получением теплоты эти системы также обеспечивают эффективное использование дневного освещения, благодаря чему снижается потребление электроэнергии. Однако площадь остекления южного фасада должна быть значительной, чтобы обеспечить требуемую долю солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки, а теплоаккумулирующие элементы (тепловая масса) должны быть размещены в наиболее благоприятных местах, чтобы на них попадали солнечные лучи большую часть дня. Следует избегать излишнего перегрева тех зон здания, где постоянно находятся люди, а также попадания в них прямых солнечных лучей, «солнечных зайчиков» и бликов.

Вместо остекления вертикальных стен или наряду с ним может быть использовано остекление элементов крыши и чердачных помещений, сообщающихся с жилыми помещениями. При этом облегчается задача размещения теплоаккумулирующих элементов, меньше возникает «солнечных зайчиков» и уменьшается затенение тепловой массы предметами интерьера и экстерьера.

Важнейшее требование, предъявляемое к пассивным системам, состоит в необходимости обеспечения теплового комфорта и регулирования температурного режима в помещениях. В помещениях с пассивным использованием солнечной энергии комфорт обеспечивается при более низких температурах воздуха по сравнению с обычными зданиями, так как температура всех или большинства внутренних помещений выше температуры воздуха и они излучают теплоту на человека, отчего ощущение комфорта повышается.

Однако при использовании пассивных систем прямого улавливания солнечной энергии трудно поддается регулированию температура воздуха в помещениях из-за большой тепловой инерции их теплоаккумулирующих элементов. При проектировании температурного режима помещений нужно оптимизировать массу и размещение каждого из этих элементов, а также использовать навесы и козырьки, тепловую изоляцию светопрозрачных поверхностей в ночное время, автоматически управляемые заслонки для организации поступления и удаления воздуха, закрытия и открытия окон, форточек и фрамуг и т.п.

В этих системах используются окна и остекленные поверхности большой площади в проемах стен на южной стороне дома. Площадь остекления определяется тепловой нагрузкой отопления и площадью отапливаемых помещений. Для уменьшения тепловой нагрузки здание должно быть построено с применением улучшенной тепловой изоляции и использованием других мероприятий по сохранению энергии. Этой цели служит также использование тепловой изоляции светопрозрачных наружных поверхностей Использование системы прямого улавливания солнечной энергии в существующих зданиях связано со значительными трудностями, однако и в этом случае можно значительно увеличить энергоэффективность зданий (например, произвести утепление окон, пола, стен и т.п.).

в ночное время, для чего могут использоваться теплоизоляционные щиты, ставни, плотные шторы и т.п. В доме, показанном на рис. 19, а, предусмотрено прямое улавливание солнечной энергии, а также имеется контур естественной конвективной циркуляции воздуха, нагретого в коллекторе, с аккумулированием теплоты в слое гальки и регулированием движения воздуха с помощью клапана, а также солнцезащитное устройство.

а) с прямым улавливанием солнечной энергии, конвективным контуром для нагрева воздуха и аккумулированием теплоты в слое камней;

а) 1 — солнцезащитное устройство; 5 — возврат воздуха;