В настоящее время фотоэлектрическая энергетика - самый гибкий способ производства энергии. Его применение варьируется от микросистем, рассредоточенных по обширным территориям, до крупномасштабных электростанций. Эту технологию можно использовать в любых регионах мира - безотносительно к географии и климатическим условиям. Тем не менее это одновременно и наиболее высокозатратная из "солнечных" технологий. Вероятно, именно по этой причине все политические инициативы прошлого, направленные на внедрение фотоэлектрических процессов генерирования энергии, были в большей или меньшей степени убыточны.
Долгое время основу финансирования сектора составляли прямые субсидии или кредиты с низкими процентными ставками. В большинстве случаев добиться подобных субсидий было весьма непросто - это было сопряжено с преодолением огромного количества бюрократических рогаток. Кроме того, этот источник инвестиций всегда был крайне ограничен - обычно денег хватало не более чем на несколько недель. При этом объем финансирования на каждый последующий год был еще и весьма неопределенным, что крайне затрудняло планирование. Отрасль не имела возможности разрабатывать долгосрочные инвестиционные программы и маркетинговые стратегии.
Позднее был запущен механизм льготного налогообложения предприятий, которые выпускали и устанавливали солнечные батареи. Однако эта система была отменена, когда развитие солнечной энергетики достигло уровня, на котором эта сфера деятельности оказалась достаточно инвестиционно привлекательной и без предоставления налоговых льгот. И все же данный сектор энергетики пока еще остается высокозатратным и не способен обходиться без внешней поддержки. С точки зрения производителей отрасли, одной из форм такой поддержки может быть предоставление фиксированных субсидий, предназначенных для покрытия затрат на установку солнечных батарей при строительстве новых зданий. Кроме того, большую пользу могла бы принести система предоставления займов с льготными процентными ставками.
Запущенная в Германии программа "Сто тысяч крыш" может значительно ускорить процесс перемещения технологии от рыночных ниш к массовому производству фотоэлектрических систем, предназначенных для широкого применения. Впервые в истории эта программа обеспечивает отрасли надежную базу для долгосрочного планирования инвестиций. Ее основная цель - дать сектору толчок, необходимый для перехода на качественно новый уровень: от развития на основе субсидий к рыночной системе финансирования за счет заказчиков. При этом очевидно, что подобная задача может быть решена только объединенными усилиями производителей солнечных элементов, сборочно-монтажных фирм, банков и заказчиков. Авторы программы рассчитывают, что ее осуществление значительно ускорит промышленное внедрение солнечных систем, что позволит обеспечить экономию на масштабах. В свою очередь, это создаст стимул для широкого распространения технологии как в развивающихся, так и в индустриальных странах и послужит средством мотивирования других правительств к разработке аналогичных или даже более масштабных программ.
В Великобритании тоже наблюдается ощутимый прогресс в секторе фотоэлектрических технологий, но развитие идет другим путем - проблема выживания отрасли решается на рыночной основе. Например, одна из крупнейших частных компаний сектора производства солнечных батарей, Intersolar, разработала несколько необычную маркетинговую стратегию. Ее основная идея - продавать фотоэлектрические источники на этапе строительства зданий, что будет обходиться потребителям значительно дешевле, чем приобретать их дополнительно как самостоятельный товар.
Как Intersolar, так и другие производители этого профиля, в том числе AstroPower из США, намереваются продвигать свою продукцию на рынок путем создания совместных предприятий с компаниями, которые специализируются на строительстве жилых зданий. По словам менеджеров Intersolar, практика свидетельствует, что покупать более дорогие солнечные батареи готовы многие, но в будущем для их производителей будет выгоднее продавать не батареи, а энергию. В долгосрочной перспективе эти компании намереваются устанавливать фотоэлектрические источники за свой счет и сами же будут обеспечивать их нормальное функционирование, а произведенное электричество поставлять владельцам зданий.
воскресенье, 29 июня 2008 г.
Плоские коллекторы.
Этот тип коллекторов имеет плоскую поглощающую поверхность, его работа основана на парниковом эффекте. Плоские коллекторы состоят из каркаса (пластикового, стеклянного или деревянного), прозрачного покрытия (одинарного, двойного, тройного, стеклянного или пластикового), поглощающих поверхностей (избирательных или неизбирательных), изоляции и средств передачи тепла (воздух, вода, масло, бензин и т. д.).
Характерные особенности избирательных наружных поверхностей в современных солнечных коллекторах были экспериментально изучены проф. Табором, который определил оптимальную комбинацию двух тонких слоев прозрачного покрытия, которая обеспечивает 94% поглощения солнечной радиации при 6% соответствующей эмиссии. Все элементы плоского коллектора образуют вместе устройство для поглощения солнечной радиации, которое охлаждается средствами теплопередачи. Однако получаемая солнечная энергия может быть использована лишь частично, так как часть ее теряется при отражении, поглощении или утечке через конструктивные элементы.
Оптимальный по КПД плоский коллектор с температурной шкалой до 100° С должен обладать следующими качествами: прочными конструкциями; при потребности в средней температуре эффективностью не ниже 50—60%; при низких температурах—70—80%, высоких температурах —20—30%.
Материалы, используемые для изоляции, а также облицовки плоского коллектора должны обладать возможно более низкой теплопроводностью. При коротком периоде солнечной радиации рабочая температура коллектора должна достигаться в минимальные сроки. Наружная поверхность теплоизоляции должна быть устойчива при любых атмосферных условиях.
Главные теплопотери коллекторов происходят вследствие загрязнения, затенения от стоек и перемычек каркаса, отражения от стеклянных покрытий, а также при передаче тепла сквозь стекло. Кроме того, существуют потери радиации, передаваемой стеклянными покрытиями, возникающие в результате теплопотерь через водосточные желоба в поглощающих поверхностях (они пропорциональны разности в температурах наружных и поглощающих слоев и, следовательно, могут быть представлены. значением К для коллектора), а также потери тепла от поглощения холодной воды, конвекции в воздушных слоях между поверхностью коллектора и стеклянным покрытием, потери тепла, проводимого через стойки или изоляцию стеклянного покрытия и через воздух между коллектором и стеклянным покрытием.
Соотношение между энергией поступающей радиации и полезной тепловой производительностью определяет эффективность коллектора. Самая высокая температура, которая может быть получена коллектором, достигается тогда, когда добавочное полезное тепло не уходит через средства теплопередачи, т. е. когда полученная энергия радиации равна потерям коллектора плюс извлеченное полезное тепло. Это называется непроизводительной, или уравновешенной, температурой.
Различные непроизводительные температуры соответствуют проекту и качеству коллектора, интенсивности радиации и окружающим условиям. Например, в средней Европе солнечная радиация в 800 ккал/ч может считаться нормальной величиной. При такой радиации коллектор с одинарным остеклением может
выработать температуру до 100° С, в то время как коллектор с тройным остеклением может дать температуру до 190° С, а обычный коллектор с плоским покрытием обеспечивает нагрев лишь до 70—80° С.
Эффективность коллектора может быть увеличена специальной обработкой стеклянного покрытия, панелей, листового материала и поглощающих поверхностей.
Наиболее известными «классическими» коллекторами считаются: водяной тип — MIT (рис. 40); воздушный тип — Денован-Блисс (рис. 41); воздушный тип —Лёф (рис. 42); масляный тип — Александров (рис. 43); воздушный тип — Франция (рис. 44).
Не считая этих ставших уже классическими коллекторов, в сегодняшней практике используются и другие модели, снабженные интересными усовершенствованиями. Солнечные коллекторы, работающие летом и зимой в суровых климатических и тепловых режимах, подвергаются различным опасностям, которые могут быть учтены в проекте.
Основные проблемы, встречающиеся при эксплуатации солнечных коллекторов, следующие: перегрев, опасность замерзания, коррозия, загрязнение, повреждение, тепловое расширение (сужение), утечка тепла.
Эти проблемы могут изменяться в зависимости от климатических условий, средства их устранения меняются от одной модели к другой. Фирма-изготовитель гарантирует работу коллекторов, обеспечивает такие технические характеристики, как эффективность, тепловые величины и т. д., в соответствии со стандартом.
Сабади П.Р.
Характерные особенности избирательных наружных поверхностей в современных солнечных коллекторах были экспериментально изучены проф. Табором, который определил оптимальную комбинацию двух тонких слоев прозрачного покрытия, которая обеспечивает 94% поглощения солнечной радиации при 6% соответствующей эмиссии. Все элементы плоского коллектора образуют вместе устройство для поглощения солнечной радиации, которое охлаждается средствами теплопередачи. Однако получаемая солнечная энергия может быть использована лишь частично, так как часть ее теряется при отражении, поглощении или утечке через конструктивные элементы.
Оптимальный по КПД плоский коллектор с температурной шкалой до 100° С должен обладать следующими качествами: прочными конструкциями; при потребности в средней температуре эффективностью не ниже 50—60%; при низких температурах—70—80%, высоких температурах —20—30%.
Материалы, используемые для изоляции, а также облицовки плоского коллектора должны обладать возможно более низкой теплопроводностью. При коротком периоде солнечной радиации рабочая температура коллектора должна достигаться в минимальные сроки. Наружная поверхность теплоизоляции должна быть устойчива при любых атмосферных условиях.
Главные теплопотери коллекторов происходят вследствие загрязнения, затенения от стоек и перемычек каркаса, отражения от стеклянных покрытий, а также при передаче тепла сквозь стекло. Кроме того, существуют потери радиации, передаваемой стеклянными покрытиями, возникающие в результате теплопотерь через водосточные желоба в поглощающих поверхностях (они пропорциональны разности в температурах наружных и поглощающих слоев и, следовательно, могут быть представлены. значением К для коллектора), а также потери тепла от поглощения холодной воды, конвекции в воздушных слоях между поверхностью коллектора и стеклянным покрытием, потери тепла, проводимого через стойки или изоляцию стеклянного покрытия и через воздух между коллектором и стеклянным покрытием.
Соотношение между энергией поступающей радиации и полезной тепловой производительностью определяет эффективность коллектора. Самая высокая температура, которая может быть получена коллектором, достигается тогда, когда добавочное полезное тепло не уходит через средства теплопередачи, т. е. когда полученная энергия радиации равна потерям коллектора плюс извлеченное полезное тепло. Это называется непроизводительной, или уравновешенной, температурой.
Различные непроизводительные температуры соответствуют проекту и качеству коллектора, интенсивности радиации и окружающим условиям. Например, в средней Европе солнечная радиация в 800 ккал/ч может считаться нормальной величиной. При такой радиации коллектор с одинарным остеклением может
выработать температуру до 100° С, в то время как коллектор с тройным остеклением может дать температуру до 190° С, а обычный коллектор с плоским покрытием обеспечивает нагрев лишь до 70—80° С.
Эффективность коллектора может быть увеличена специальной обработкой стеклянного покрытия, панелей, листового материала и поглощающих поверхностей.
Наиболее известными «классическими» коллекторами считаются: водяной тип — MIT (рис. 40); воздушный тип — Денован-Блисс (рис. 41); воздушный тип —Лёф (рис. 42); масляный тип — Александров (рис. 43); воздушный тип — Франция (рис. 44).
Не считая этих ставших уже классическими коллекторов, в сегодняшней практике используются и другие модели, снабженные интересными усовершенствованиями. Солнечные коллекторы, работающие летом и зимой в суровых климатических и тепловых режимах, подвергаются различным опасностям, которые могут быть учтены в проекте.
Основные проблемы, встречающиеся при эксплуатации солнечных коллекторов, следующие: перегрев, опасность замерзания, коррозия, загрязнение, повреждение, тепловое расширение (сужение), утечка тепла.
Эти проблемы могут изменяться в зависимости от климатических условий, средства их устранения меняются от одной модели к другой. Фирма-изготовитель гарантирует работу коллекторов, обеспечивает такие технические характеристики, как эффективность, тепловые величины и т. д., в соответствии со стандартом.
Сабади П.Р.
Фокусирующие коллекторы (концентраторы радиации).
Эти коллекторы имеют вогнутую поверхность. Типичный пример таких коллекторов показан на рис. 39. Они концентрируют солнечные лучи зеркалами или эффективными линзами. Температура от 200° С до 500° С может быть получена путем слабой концентрации (1 : 10). При более высокой концентрации лучей может быть достигнута до 4000 °С.
В тяжелой индустрии или в исследовательских работах солнечные концентраторы составляют часть солнечных топок или солнечных силовых станций.
Солнечная топка в Одейло-фон-Ромё (Французкие Пиренеи) имеет систему параболических зеркал 40 м высоты и 54 м ширины (фокусная длина 18,4 м). При этом достигается =4000° С (максимальная термическая мощность установки 1000 кВт), которая используется для экспериментов по плавке.
Большие концентраторы радиации построены также в США, Японии, Австрии, Алжире, Греции, Советском Союзе и других странах.
Концентрирующие коллекторы, или, как их называют, зеркальные коллекторы, должны находиться под постоянным контролем. Они очень чувствительны к загрязнению пылью и мусором, которые снижают их оптические качества. Зеркала можно защитить от воздействия погодных условий стеклянным покрытием, но стекло в отличие от поверхностных коллекторов должно часто очищаться, чтобы не ослабить прямую радиацию добавочным рассеиванием.
Радиационные концентраторы обычно используют только прямую радиацию. Но исследования последних лет показывают, что, несмотря на это свойство, такие коллекторы могут использоваться в среднеевропейских климатических условиях для бытовых целей.
Солнечные коллекторы, построенные научно-исследовательской лабораторией фирмы «Филипс GmBH», снабжены тепловым отражающим фильтром с окисью индия (Sr2O3), который имеет
трансмиссию для солнечного света Т=85% и отражатель для тепловой радиации R —90%. Коллектор обладает поглощающей способностью солнечной радиации, равной 95%. Некоторые показатели, характерные для коллектора фирмы «Филипс» с дополнительным покрытием, приводятся в табл. 8. Эти показатели были получены экспериментально при нагреве воды в летних условиях.
ТАБЛИЦА 8 ПОКАЗАТЕЛИ КОЛЛЕКТОРОВ ФИРМЫ ФИЛИПС
Погодные условия ------------- Общая радиация, Вт/м ---- кпд, %
Безоблачное небо, ясно ---------- 800 ------------------- 61
Слабая облачность, туман ------- 600 -------------------- 58
Средняя облачность ---------------- 300 -------------------- 45
Сплошная облачность -------------- 150 -------------------- 20
Фирма «Лайби, Нойеншвандер и К°» (Берн, Швейцария) также выпускает фокусирующие солнечные коллекторы, которые состоят из многочисленных параболических зеркал. Прямая радиация, поглощаемая зеркалами, концентрируется в трубе, направленной по фокусирующим линиям, проходя через которую поток жидкости нагревается. Для избежания тепловых потерь при передаче концентрируемая энергия должна попадать непосредственно внутрь трубы, которая для этой цели делается прозрачной. Внутри нее имеется черный поглотитель, который передает полученную энергию на нагревательные средства с помощью конвекции.
В Великобритании компания «Силовые системы» использует параболические фокусирующие солнечные коллекторы, в которых цилиндрические параболические рефлекторы вращаются вокруг трубы по фокусирующим направлениям, следующим за солнцем. Труба с циркулирующей жидкостью зачернена для поглощения радиации и покрыта концентрической стеклянной трубой для уменьшения тепловых потерь.
Дальнейшая эксплуатация покажет, какой тип коллектора наиболее экономичен.
В тяжелой индустрии или в исследовательских работах солнечные концентраторы составляют часть солнечных топок или солнечных силовых станций.
Солнечная топка в Одейло-фон-Ромё (Французкие Пиренеи) имеет систему параболических зеркал 40 м высоты и 54 м ширины (фокусная длина 18,4 м). При этом достигается =4000° С (максимальная термическая мощность установки 1000 кВт), которая используется для экспериментов по плавке.
Большие концентраторы радиации построены также в США, Японии, Австрии, Алжире, Греции, Советском Союзе и других странах.
Концентрирующие коллекторы, или, как их называют, зеркальные коллекторы, должны находиться под постоянным контролем. Они очень чувствительны к загрязнению пылью и мусором, которые снижают их оптические качества. Зеркала можно защитить от воздействия погодных условий стеклянным покрытием, но стекло в отличие от поверхностных коллекторов должно часто очищаться, чтобы не ослабить прямую радиацию добавочным рассеиванием.
Радиационные концентраторы обычно используют только прямую радиацию. Но исследования последних лет показывают, что, несмотря на это свойство, такие коллекторы могут использоваться в среднеевропейских климатических условиях для бытовых целей.
Солнечные коллекторы, построенные научно-исследовательской лабораторией фирмы «Филипс GmBH», снабжены тепловым отражающим фильтром с окисью индия (Sr2O3), который имеет
трансмиссию для солнечного света Т=85% и отражатель для тепловой радиации R —90%. Коллектор обладает поглощающей способностью солнечной радиации, равной 95%. Некоторые показатели, характерные для коллектора фирмы «Филипс» с дополнительным покрытием, приводятся в табл. 8. Эти показатели были получены экспериментально при нагреве воды в летних условиях.
ТАБЛИЦА 8 ПОКАЗАТЕЛИ КОЛЛЕКТОРОВ ФИРМЫ ФИЛИПС
Погодные условия ------------- Общая радиация, Вт/м ---- кпд, %
Безоблачное небо, ясно ---------- 800 ------------------- 61
Слабая облачность, туман ------- 600 -------------------- 58
Средняя облачность ---------------- 300 -------------------- 45
Сплошная облачность -------------- 150 -------------------- 20
Фирма «Лайби, Нойеншвандер и К°» (Берн, Швейцария) также выпускает фокусирующие солнечные коллекторы, которые состоят из многочисленных параболических зеркал. Прямая радиация, поглощаемая зеркалами, концентрируется в трубе, направленной по фокусирующим линиям, проходя через которую поток жидкости нагревается. Для избежания тепловых потерь при передаче концентрируемая энергия должна попадать непосредственно внутрь трубы, которая для этой цели делается прозрачной. Внутри нее имеется черный поглотитель, который передает полученную энергию на нагревательные средства с помощью конвекции.
В Великобритании компания «Силовые системы» использует параболические фокусирующие солнечные коллекторы, в которых цилиндрические параболические рефлекторы вращаются вокруг трубы по фокусирующим направлениям, следующим за солнцем. Труба с циркулирующей жидкостью зачернена для поглощения радиации и покрыта концентрической стеклянной трубой для уменьшения тепловых потерь.
Дальнейшая эксплуатация покажет, какой тип коллектора наиболее экономичен.
СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ
Задача солнечных коллекторов — аккумуляция солнечной радиации с максимально возможной эффективностью. Существуют различные типы коллекторов, отличающихся внешней формой наружных поверхностей, устройством поглощающих поверхностей и аккумулирующих средств.
Для отопления помещения зимой при неблагоприятной погоде солнечные коллекторы должны преобразовывать значительное количество поступающей солнечной радиации в полезное тепло. Они должны повышать рабочую температуру до 60—90° С при очень низких температурах наружного воздуха. При таких температурах коллекторы используют около 70% поступающей солнечной радиации на нагревание жидкости (или газа), посредством которых отапливается помещение. Тип коллекторов выбирается в зависимости от задач, которым они служат. Коллекторы могут быть плоскими, поглощающими солнечные лучи, не концентрируя, а направляя или рассеивая их, а также трубчатыми, полосовыми, листовыми или полыми, преобразующими в тепло прямую солнечную радиацию, концентрируемую оптическими или другими приспособлениями.
Плоские коллекторы, будучи открытыми для солнечных лучей, что особенно важно в условиях европейского климата, представляют собой тепловой источник большой площади и низкой энергетической плотности. Для того чтобы коллектор работал правильно, он должен быть тщательно изолирован с обеих сторон .
Две фирмы, «Браун Бовери К» (Маннгейм) и «Филипс А. Г.» (Аахен), опубликовали результаты годового эксперимента. Для нескольких местностей, включая Брегеиц (Ворарльберг) и Гей-дельберг, фирма «Браун Бовери» определила объем энергии, которую нужно получить. Экспериментальные устройства были снабжены поверхностными коллекторами площадью 1,5 м2. Согласно средним полученным параметрам, подсчитано, что в ФРГ количество солнечной энергии может обеспечить нагрев 80% горячей воды, требуемой летом, около 20%—в зимний период и 65% —в межсезонье. Приведенные данные, естественно, зависят от климатических и технических условий (общей поверхности коллектора, объема аккумуляторов, изоляции, КПД системы и т. д.).
Фирма «Браун Бовери» впервые использовала поверхностные коллекторы для подогрева воды в открытом плавательном бассейне в Вейле — коллектор площадью в 3 тыс. м2 нагревает воду до 24° С. Этот бассейн, проект которого выполнен под руководством Министерства исследований и технологии, является первым примером использования солнечной радиации в качестве энергетического источника в Западной Европе. Извлеченный из этого опыт может представлять значительный интерес при обеспечении энергией частных плавательных бассейнов.
Научно-исследовательская лаборатория фирмы «Филипс ОтвН» достигла высокой эффективности в использовании фокусирующих коллекторов, которые применялись первое время на большой площади в экспериментальном доме в Аахене.
В Англии, США, Франции и ФРГ уже применяются различные типы солнечных коллекторов.
Фокусирующие коллекторы (концентраторы радиации).
Плоские коллекторы.
Для отопления помещения зимой при неблагоприятной погоде солнечные коллекторы должны преобразовывать значительное количество поступающей солнечной радиации в полезное тепло. Они должны повышать рабочую температуру до 60—90° С при очень низких температурах наружного воздуха. При таких температурах коллекторы используют около 70% поступающей солнечной радиации на нагревание жидкости (или газа), посредством которых отапливается помещение. Тип коллекторов выбирается в зависимости от задач, которым они служат. Коллекторы могут быть плоскими, поглощающими солнечные лучи, не концентрируя, а направляя или рассеивая их, а также трубчатыми, полосовыми, листовыми или полыми, преобразующими в тепло прямую солнечную радиацию, концентрируемую оптическими или другими приспособлениями.
Плоские коллекторы, будучи открытыми для солнечных лучей, что особенно важно в условиях европейского климата, представляют собой тепловой источник большой площади и низкой энергетической плотности. Для того чтобы коллектор работал правильно, он должен быть тщательно изолирован с обеих сторон .
Две фирмы, «Браун Бовери К» (Маннгейм) и «Филипс А. Г.» (Аахен), опубликовали результаты годового эксперимента. Для нескольких местностей, включая Брегеиц (Ворарльберг) и Гей-дельберг, фирма «Браун Бовери» определила объем энергии, которую нужно получить. Экспериментальные устройства были снабжены поверхностными коллекторами площадью 1,5 м2. Согласно средним полученным параметрам, подсчитано, что в ФРГ количество солнечной энергии может обеспечить нагрев 80% горячей воды, требуемой летом, около 20%—в зимний период и 65% —в межсезонье. Приведенные данные, естественно, зависят от климатических и технических условий (общей поверхности коллектора, объема аккумуляторов, изоляции, КПД системы и т. д.).
Фирма «Браун Бовери» впервые использовала поверхностные коллекторы для подогрева воды в открытом плавательном бассейне в Вейле — коллектор площадью в 3 тыс. м2 нагревает воду до 24° С. Этот бассейн, проект которого выполнен под руководством Министерства исследований и технологии, является первым примером использования солнечной радиации в качестве энергетического источника в Западной Европе. Извлеченный из этого опыт может представлять значительный интерес при обеспечении энергией частных плавательных бассейнов.
Научно-исследовательская лаборатория фирмы «Филипс ОтвН» достигла высокой эффективности в использовании фокусирующих коллекторов, которые применялись первое время на большой площади в экспериментальном доме в Аахене.
В Англии, США, Франции и ФРГ уже применяются различные типы солнечных коллекторов.
Фокусирующие коллекторы (концентраторы радиации).
Плоские коллекторы.
СОЛНЕЧНЫЙ ДОМ
Реклама:
ГАЛПРОЕКТ: ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЖИЛЫХ ДОМОВ , ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ , ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ, МАГАЗИНОВ, ЗАГОРОДНЫХ ДОМОВ , КОТТЕДЖНЫХ ПОСЕЛКОВ, ПЕРЕПЛАНИРОВКА КВАРТИР, ИНТЕРЬЕРЫ
Совсем недавно энергообеспечение зданий за счет солнечной энергии в России считалось экономически невыгодным, тогда как за рубежом: в Канаде, Финляндии, США, Японии, Австралии, Израиле, Греции и многих других странах такие дома давно уже существовали. В связи с постоянным ростом стоимости энергоносителей в России постепенно стал расти интерес к вопросам энергосбережения и использования возобновляемых источников энергии, среди которых одним из основных является солнечная энергия.
Солнечный дом
Работы в этом направлении велись в том числе в Ассоциации производителей энергоэффективных окон (АПРОК) и в Московском Государственном строительном университете (МГСУ).
На основании этих исследований, архитектором Захаровой Т.В. была разработана программа "Солнечный дом" и запроектирован архитектурный проект "Сол-1", в котором реализован концептуальный подход к вопросам формирования комфортной, экологически чистой среды обитания при максимальном использовании активных и пассивных систем энергосбережения, а грамотное архитектурно-конструктивное и планировочное решения создают эффект энергоресурсосбережения и позволяют сэкономить от 30 до 80% энергии, по сравнению с традиционными решениями.
Система энергоресурсосбережения эффективно работает только при правильно выбранном архитектурно-конструктивном решении зданий и сооружений. Такой комплексный подход развит и проработан программой "Солнечный дом".
На выставке "Жилище-99" (ВВЦ) за продвижение и внедрение энергосберегающих и экологически чистых технологий программа "Солнечный дом" и архитектурный проект удостоены золотой медали.
Итак, сегодня, на страницах нашего журнала мы беседуем с автором программы и архитектурного проекта "Солнечный дом" Т.В. Захаровой.
- Татьяна Владимировна, что подразумевается под понятием "Солнечный дом", как возникла идея его создания?
- "Солнечный дом" - это оптимальное комплексное сочетание архитектурно-планировочных и инженерных решений для создания комфортной среды обитания современного человека. Этот дом предполагает не перекраивание природы под свои нужды, А МАКСИМАЛЬНОЕ ВРАСТАНИЕ ЧЕЛОВЕКА В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ, установление гармонии между ними, использование современных материалов и технологий, инженерных систем позволяет отказаться от многих традиционных подходов к строительству. Совершенно бессмысленно из-за недостаточной теплоизоляции здания отапливать за свой счет окружающее пространство или сжигать высококалорийное и дорогое топливо в огромных количествах, когда необходимую энергию можно извлечь из протекающей рядом реки или моря, из земли и даже из ветра и Солнца. Весь вопрос в том, сколько это будет стоить. И мы хотим, чтобы наш дом, созданный из экологически чистых материалов и использующий при эксплуатации самое современное инженерное оборудование, обходился при строительстве и эксплуатации дешевле, чем дом традиционной конструкции.
Архитекгурно-планировочное и конструктивное решения для каждого такого дома индивидуально. В наш дом мы собрали все новейшие российские технологии, с которыми наша программа должна войти в XXI век.
По мнению экспертов в области строительства и архитектуры в недалеком будущем наши здания должны будут стать более энергоэффективными и приспособленными к окружающей среде. При этом комфорт, эстетические качества и экономичность таких зданий будут более высокими. Для отопления, охлаждения и освящения таких зданий будут использовать минимум природных ресурсов.
Такие здания должны стать не только источником экономии средств, но и предметом моды!
К комплексному решению "Солнечного дома" мы подходили постепенно. Еще в 1993 г. в Москве был создан Научно-исследовательский и проектный центр "Энергоэффективные здания", являющийся структурным подразделением фирмы "Сол". Основной функцией этого центра являлись исследования в области экономии энергии, инсоляции, солнцезащиты и производства энергоэкономического остекления, стеклопакетов, солнцезащитных устройств, тепловых солнечных коллекторов, фотоэлектрических элементов, тепловых насосов и другого оборудования зданий. Кроме того, задачей центра являлась разработка новых типов зданий, использующих для теплоснабжения и охлаждения возобновляемые источники энергии. Центр занимается, также, вопросами экономии энергии для освещения, в том числе - автоматическим регулированием искусственного освещения.
Опыт проектирования и строительства зданий с системами солнечного теплоснабжения в нашей стране еще не велик, поэтому мы начали с проектирования индивидуальных домов с пассивными гелеосистемами, используя стены тромба, гравийные теплоаккумуляторы, а зимние сады и ряд таких элементов конструкции здания, как атриумы, веранды, теплицы и т.д. служили средством привлечения заказчиков. Такие элементы пассивного использования солнечной энергии, как зимние сады и встроенные теплицы показали свою высокую эффективность для энергосбережения. Кроме того, эти элементы повышают комфорт и уют дома, позволяют снежной российской зимой наслаждаться окружением естественной зелени. Правильно запроектированные теплицы обеспечивают в центральных районах России значительную экономию топлива.
Пассивные гелеосистемы могут быть эффективны как в индивидуальных, так и многоэтажных домах. Методы расчета таких систем зависят от формы и объема здания, местных климатических условий, инсоляции и других факторов.
- Если есть пассивные системы солнечного теплоснабжения, значит существуют и активные? В чем различие этих систем?
- Использование специального инженерного оборудования, такого, как солнечные коллекторы, теплообменники, баки-накопители нагретой солнцем воды или другой жидкости, автоматику, регуляторы, фотоэлектрические элементы (преобразователи солнечной энергии в электрическую, и т.д.) - такие системы называются активными. Архитектурно-строительные системы, улавливающие солнечное тепло, направляющие его в глубь помещения, аккумулирующие его там и отдающие его в нужное время во внутреннюю среду называются, в отличие от активных, пассивными. Эти системы не требуют практически никакого инженерного оборудования.
- Татьяна Владимировна, известен ли опыт применения солнечных систем в России?
- Пока что в нашей стране имеется сравнительно ограниченный опыт применения систем солнечного теплоснабжения с использованием солнечных коллекторов, хотя работы по их созданию велись довольно давно на основе государственных программ. К сожалению, при низкой стоимости энергоносителей, конечные потребители не были заинтересованы в дополнительных затратах на новое нетрадиционное оборудование, а об экологии никто всерьез не задумывался. Солнечные коллекторы не производились, их пытались "внедрять", принимая программы и постановления, но небольшие партии коллекторов делались из дешевых подручных материалов, и срок службы таких коллекторов был намного меньше их срока окупаемости.
Тем не менее, неплохо работали отдельные системы и в Украине, Грузии и в Средней Азии, и некоторых других районах. Именно в этих наиболее солнечных районах и велись ранее основные работы по гелеосистемам, а применение их в России было достаточно ограничено.
Гелеосистемы в России - это, в основном, системы горячего водоснабжения, и большинство их сосредоточено в Краснодарском крае, хотя имеются несколько опытных установок и в других южных регионах России, вплоть до Забайкалья. Системы разрабатывались, как правило, для применения на крупных объектах, например для горячего водоснабжения больниц, пансионатов или санаториев, и имеют площадь солнечных коллекторов в десятки и сотни квадратных метров. Часть из них используют коллекторы импортного производства, а применение отечественных разработок в этой области ограничено недостаточным производством современных и высокоэффективных солнечных коллекторов. Так, например, в Сочи за последние годы созданы и работают системы солнечного горячего водоснабжения пансионата "Шексна", использующая полностью импортное оборудование, и системы в санатории "Лазоревское", где коллекторы отечественные.
Около 15 лет назад был построен экспериментальный солнечный дом в Армении, где применялись тепловые коллекторы. Были экспериментальные объекты типа "солнечной деревни" в Краснодарском крае, но там основным оборудованием были фотоэлектрические преобразователи. За последние годы этот опыт по созданию "солнечных домов" не был востребован.
- А как обстоят дела с разработкой "солнечных домов" за рубежом?
- Многие зарубежные страны развивают у себя использование возобновляемых источников энергии, применение солнечной энергии наиболее развито. Многие россияне во время своих зарубежных поездок видели в таких странах, как Турция, Греция или Израиль солнечные водонагреватели на крышах отелей, ресторанов или коттеджей. Наиболее динамично развивается применение солнечной энергии в Германии. Принятие специальных программ по экологии и энергосбережению, оказание существенной государственной поддержки этому направлению привело к тому, что счет построенных систем и установок ежегодно идет на сотни тысяч квадратных метров. С учетом экономии энергии при эксплуатации создаются новые проекты зданий, целенаправленно и комплексно реализующие основную идею - комфортное жилье в экологически чистой среде, без затраты своих средств на ее обогрев. Значительно меньше развиты системы фотоэлектрического преобразования солнечной энергии. Это связано с сохраняющейся до сих пор высокой стоимостью оборудования. Они применяются только в ограниченных случаях, когда получение электроэнергии другими способами не возможно или обходится еще дороже.
- Каковы перспективы применения новых материалов и энергосберегающих технологий?
- Основные мировые тенденции постепенно проникают в Россию. По мере роста стоимости энергоносителей и в нашей стране начинает формироваться рынок энергосберегающих технологий и использование солнечных систем теплоснабжения. Для демонстрации потенциальным потребителям в едином комплексе всех возможностей новых материалов и энергосберегающих технологий, инженерных систем солнечного теплоснабжения, тепловых аккумуляторов и тепловых насосов, а также и специальньх архитектурных и конструкторских решений нами ведутся переговоры о реальном строительстве нескольких демонстрационных и жилых объектов - зданий коттеджного типа, выполненных с учетом основных принципов формирования новой среды обитания. Где они будут расположены? Как минимум один объект должен быть расположен в Москве или ближайшем Подмосковье, поскольку Москва является главным информационным центром страны, хотя климат здесь не самый лучший для демонстрации всех возможностей "солнечного дома". Остальные объекты должны быть построены на юге России, чтобы продемонстрировать возможности новых технологий с максимальной эффективностью.
- Какие материалы и оборудование Вы собираетесь использовать?
- Несмотря на все экономические трудности, переживаемые нашей страной, научная мысль в ней никогда не замирала. Поэтому, начав поиск материалов и подбор оборудования для строительства "солнечного дома" по разработанному нами проекту, мы столкнулись с тем, что нашими учеными разработан и запатентован ряд новых и очень интересных изобретений в области строительных материалов и технологий, так что выбор у нас есть. Так, пока далеко не полностью используются возможности такого традиционного для России материала, как древесина. И кому, как не России, с ее мировыми запасами леса, быть законодателем "строительной моды" на этот материал. Самое интересное, что в ряде развитых европейских стран интерес к деревянному домостроению начинает активно развиваться, потому что дерево является наиболее экологичным материалом, тем более если древесину подвергнуть современной технологической обработке, сделав ее не только влаго-, но и огнестойкой. Что же касается оборудования для солнечных систем теплоснабжения, то здесь, в значительной мере, придется опираться на зарубежных производителей. В России есть перспективные разработки солнечных коллекторов, представляющих интерес не только для отечественного, но и для зарубежного рынка, а все остальное оборудование системы пока будет поставляться из Германии.
- А что же вообще представляет собой солнечный коллектор о котором вы упоминаете?
- Солнечный коллектор - это специальный теплообменник, в котором энергия солнечного излучения преобразуется в тепло. Существуют десятки вариантов их конструкций, но принцип их устройства одинаков. Обычно это плоская металлическая панель, в которой имеются каналы для жидкости. Поверхность этой панели, обращенная к Солнцу, - черная, для лучшего прогрева. Эта панель устанавливается в корпус, выполненный в виде плоской рамы. Для снижения тепловых потерь под панелью устанавливается теплоизоляция, а сверху она защищена специальным стеклом.
Жидкость (вода или специальный теплоноситель), проходящая через коллектор, нагревается солнечным излучением, а затем это тепло используется для нагрева водопроводной воды или отопления. Температура нагрева жидкости зависит от многих факторов: плотности и долготы солнечного излучения, эффективности конструкции коллектора, расхода жидкости через него, температуры окружающего воздуха и т.д. Следует отметить, что современные коллекторы позволяют получать на выходе из них достаточно высокие температуры теплоносителя, приближающиеся к 100 °С и даже выше.
- Татьяна Владимировна, в заключении хотелось бы узнать, когда будет построен первый солнечный дом по Вашему проекту?
- На данный момент стадия рабочее проектирование завершена, но к сожалению первый объект будет построен в Германии. Ведутся переговоры о строительстве таких домов в Московской области и южных регионах России. Первый объект на самообеспечении в виде передвижного демонстрационного жилого модуля, рассчитанного на жизнеобеспечение двух человек (два спальных места, мини кухня, душевая, гардероб, откидной стол и стулья, баки-накопители холодной и горячей воды, места для хранения аппаратуры) был запроектирован и изготовлен в 1999 г. Он демонстрировался на выставке "Спасение-2000".
Особенно актуальными вопросы энергосбережения становятся в связи с реализацией программы реформирования и модернизации жилищно-коммунального комплекса, согласно которому расходы на электро- и теплоснабжение в ближайшее время в стопроцентном объеме лягут на плечи населения.
Архитектор Т.В. Захарова, лицензия Г 626700, рег.№ РЦ - 0665
Российский Лицензионный Архитектурный Центр
тел. 482-50-93, тел./факс 211-10-36, факс 482-43-58, 473-21-39 (вечер)
Источник: "Строительный путеводитель", 22(154), июль 2001 г.
ГАЛПРОЕКТ: ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЖИЛЫХ ДОМОВ , ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ , ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ, МАГАЗИНОВ, ЗАГОРОДНЫХ ДОМОВ , КОТТЕДЖНЫХ ПОСЕЛКОВ, ПЕРЕПЛАНИРОВКА КВАРТИР, ИНТЕРЬЕРЫ
Совсем недавно энергообеспечение зданий за счет солнечной энергии в России считалось экономически невыгодным, тогда как за рубежом: в Канаде, Финляндии, США, Японии, Австралии, Израиле, Греции и многих других странах такие дома давно уже существовали. В связи с постоянным ростом стоимости энергоносителей в России постепенно стал расти интерес к вопросам энергосбережения и использования возобновляемых источников энергии, среди которых одним из основных является солнечная энергия.
Солнечный дом
Работы в этом направлении велись в том числе в Ассоциации производителей энергоэффективных окон (АПРОК) и в Московском Государственном строительном университете (МГСУ).
На основании этих исследований, архитектором Захаровой Т.В. была разработана программа "Солнечный дом" и запроектирован архитектурный проект "Сол-1", в котором реализован концептуальный подход к вопросам формирования комфортной, экологически чистой среды обитания при максимальном использовании активных и пассивных систем энергосбережения, а грамотное архитектурно-конструктивное и планировочное решения создают эффект энергоресурсосбережения и позволяют сэкономить от 30 до 80% энергии, по сравнению с традиционными решениями.
Система энергоресурсосбережения эффективно работает только при правильно выбранном архитектурно-конструктивном решении зданий и сооружений. Такой комплексный подход развит и проработан программой "Солнечный дом".
На выставке "Жилище-99" (ВВЦ) за продвижение и внедрение энергосберегающих и экологически чистых технологий программа "Солнечный дом" и архитектурный проект удостоены золотой медали.
Итак, сегодня, на страницах нашего журнала мы беседуем с автором программы и архитектурного проекта "Солнечный дом" Т.В. Захаровой.
- Татьяна Владимировна, что подразумевается под понятием "Солнечный дом", как возникла идея его создания?
- "Солнечный дом" - это оптимальное комплексное сочетание архитектурно-планировочных и инженерных решений для создания комфортной среды обитания современного человека. Этот дом предполагает не перекраивание природы под свои нужды, А МАКСИМАЛЬНОЕ ВРАСТАНИЕ ЧЕЛОВЕКА В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ, установление гармонии между ними, использование современных материалов и технологий, инженерных систем позволяет отказаться от многих традиционных подходов к строительству. Совершенно бессмысленно из-за недостаточной теплоизоляции здания отапливать за свой счет окружающее пространство или сжигать высококалорийное и дорогое топливо в огромных количествах, когда необходимую энергию можно извлечь из протекающей рядом реки или моря, из земли и даже из ветра и Солнца. Весь вопрос в том, сколько это будет стоить. И мы хотим, чтобы наш дом, созданный из экологически чистых материалов и использующий при эксплуатации самое современное инженерное оборудование, обходился при строительстве и эксплуатации дешевле, чем дом традиционной конструкции.
Архитекгурно-планировочное и конструктивное решения для каждого такого дома индивидуально. В наш дом мы собрали все новейшие российские технологии, с которыми наша программа должна войти в XXI век.
По мнению экспертов в области строительства и архитектуры в недалеком будущем наши здания должны будут стать более энергоэффективными и приспособленными к окружающей среде. При этом комфорт, эстетические качества и экономичность таких зданий будут более высокими. Для отопления, охлаждения и освящения таких зданий будут использовать минимум природных ресурсов.
Такие здания должны стать не только источником экономии средств, но и предметом моды!
К комплексному решению "Солнечного дома" мы подходили постепенно. Еще в 1993 г. в Москве был создан Научно-исследовательский и проектный центр "Энергоэффективные здания", являющийся структурным подразделением фирмы "Сол". Основной функцией этого центра являлись исследования в области экономии энергии, инсоляции, солнцезащиты и производства энергоэкономического остекления, стеклопакетов, солнцезащитных устройств, тепловых солнечных коллекторов, фотоэлектрических элементов, тепловых насосов и другого оборудования зданий. Кроме того, задачей центра являлась разработка новых типов зданий, использующих для теплоснабжения и охлаждения возобновляемые источники энергии. Центр занимается, также, вопросами экономии энергии для освещения, в том числе - автоматическим регулированием искусственного освещения.
Опыт проектирования и строительства зданий с системами солнечного теплоснабжения в нашей стране еще не велик, поэтому мы начали с проектирования индивидуальных домов с пассивными гелеосистемами, используя стены тромба, гравийные теплоаккумуляторы, а зимние сады и ряд таких элементов конструкции здания, как атриумы, веранды, теплицы и т.д. служили средством привлечения заказчиков. Такие элементы пассивного использования солнечной энергии, как зимние сады и встроенные теплицы показали свою высокую эффективность для энергосбережения. Кроме того, эти элементы повышают комфорт и уют дома, позволяют снежной российской зимой наслаждаться окружением естественной зелени. Правильно запроектированные теплицы обеспечивают в центральных районах России значительную экономию топлива.
Пассивные гелеосистемы могут быть эффективны как в индивидуальных, так и многоэтажных домах. Методы расчета таких систем зависят от формы и объема здания, местных климатических условий, инсоляции и других факторов.
- Если есть пассивные системы солнечного теплоснабжения, значит существуют и активные? В чем различие этих систем?
- Использование специального инженерного оборудования, такого, как солнечные коллекторы, теплообменники, баки-накопители нагретой солнцем воды или другой жидкости, автоматику, регуляторы, фотоэлектрические элементы (преобразователи солнечной энергии в электрическую, и т.д.) - такие системы называются активными. Архитектурно-строительные системы, улавливающие солнечное тепло, направляющие его в глубь помещения, аккумулирующие его там и отдающие его в нужное время во внутреннюю среду называются, в отличие от активных, пассивными. Эти системы не требуют практически никакого инженерного оборудования.
- Татьяна Владимировна, известен ли опыт применения солнечных систем в России?
- Пока что в нашей стране имеется сравнительно ограниченный опыт применения систем солнечного теплоснабжения с использованием солнечных коллекторов, хотя работы по их созданию велись довольно давно на основе государственных программ. К сожалению, при низкой стоимости энергоносителей, конечные потребители не были заинтересованы в дополнительных затратах на новое нетрадиционное оборудование, а об экологии никто всерьез не задумывался. Солнечные коллекторы не производились, их пытались "внедрять", принимая программы и постановления, но небольшие партии коллекторов делались из дешевых подручных материалов, и срок службы таких коллекторов был намного меньше их срока окупаемости.
Тем не менее, неплохо работали отдельные системы и в Украине, Грузии и в Средней Азии, и некоторых других районах. Именно в этих наиболее солнечных районах и велись ранее основные работы по гелеосистемам, а применение их в России было достаточно ограничено.
Гелеосистемы в России - это, в основном, системы горячего водоснабжения, и большинство их сосредоточено в Краснодарском крае, хотя имеются несколько опытных установок и в других южных регионах России, вплоть до Забайкалья. Системы разрабатывались, как правило, для применения на крупных объектах, например для горячего водоснабжения больниц, пансионатов или санаториев, и имеют площадь солнечных коллекторов в десятки и сотни квадратных метров. Часть из них используют коллекторы импортного производства, а применение отечественных разработок в этой области ограничено недостаточным производством современных и высокоэффективных солнечных коллекторов. Так, например, в Сочи за последние годы созданы и работают системы солнечного горячего водоснабжения пансионата "Шексна", использующая полностью импортное оборудование, и системы в санатории "Лазоревское", где коллекторы отечественные.
Около 15 лет назад был построен экспериментальный солнечный дом в Армении, где применялись тепловые коллекторы. Были экспериментальные объекты типа "солнечной деревни" в Краснодарском крае, но там основным оборудованием были фотоэлектрические преобразователи. За последние годы этот опыт по созданию "солнечных домов" не был востребован.
- А как обстоят дела с разработкой "солнечных домов" за рубежом?
- Многие зарубежные страны развивают у себя использование возобновляемых источников энергии, применение солнечной энергии наиболее развито. Многие россияне во время своих зарубежных поездок видели в таких странах, как Турция, Греция или Израиль солнечные водонагреватели на крышах отелей, ресторанов или коттеджей. Наиболее динамично развивается применение солнечной энергии в Германии. Принятие специальных программ по экологии и энергосбережению, оказание существенной государственной поддержки этому направлению привело к тому, что счет построенных систем и установок ежегодно идет на сотни тысяч квадратных метров. С учетом экономии энергии при эксплуатации создаются новые проекты зданий, целенаправленно и комплексно реализующие основную идею - комфортное жилье в экологически чистой среде, без затраты своих средств на ее обогрев. Значительно меньше развиты системы фотоэлектрического преобразования солнечной энергии. Это связано с сохраняющейся до сих пор высокой стоимостью оборудования. Они применяются только в ограниченных случаях, когда получение электроэнергии другими способами не возможно или обходится еще дороже.
- Каковы перспективы применения новых материалов и энергосберегающих технологий?
- Основные мировые тенденции постепенно проникают в Россию. По мере роста стоимости энергоносителей и в нашей стране начинает формироваться рынок энергосберегающих технологий и использование солнечных систем теплоснабжения. Для демонстрации потенциальным потребителям в едином комплексе всех возможностей новых материалов и энергосберегающих технологий, инженерных систем солнечного теплоснабжения, тепловых аккумуляторов и тепловых насосов, а также и специальньх архитектурных и конструкторских решений нами ведутся переговоры о реальном строительстве нескольких демонстрационных и жилых объектов - зданий коттеджного типа, выполненных с учетом основных принципов формирования новой среды обитания. Где они будут расположены? Как минимум один объект должен быть расположен в Москве или ближайшем Подмосковье, поскольку Москва является главным информационным центром страны, хотя климат здесь не самый лучший для демонстрации всех возможностей "солнечного дома". Остальные объекты должны быть построены на юге России, чтобы продемонстрировать возможности новых технологий с максимальной эффективностью.
- Какие материалы и оборудование Вы собираетесь использовать?
- Несмотря на все экономические трудности, переживаемые нашей страной, научная мысль в ней никогда не замирала. Поэтому, начав поиск материалов и подбор оборудования для строительства "солнечного дома" по разработанному нами проекту, мы столкнулись с тем, что нашими учеными разработан и запатентован ряд новых и очень интересных изобретений в области строительных материалов и технологий, так что выбор у нас есть. Так, пока далеко не полностью используются возможности такого традиционного для России материала, как древесина. И кому, как не России, с ее мировыми запасами леса, быть законодателем "строительной моды" на этот материал. Самое интересное, что в ряде развитых европейских стран интерес к деревянному домостроению начинает активно развиваться, потому что дерево является наиболее экологичным материалом, тем более если древесину подвергнуть современной технологической обработке, сделав ее не только влаго-, но и огнестойкой. Что же касается оборудования для солнечных систем теплоснабжения, то здесь, в значительной мере, придется опираться на зарубежных производителей. В России есть перспективные разработки солнечных коллекторов, представляющих интерес не только для отечественного, но и для зарубежного рынка, а все остальное оборудование системы пока будет поставляться из Германии.
- А что же вообще представляет собой солнечный коллектор о котором вы упоминаете?
- Солнечный коллектор - это специальный теплообменник, в котором энергия солнечного излучения преобразуется в тепло. Существуют десятки вариантов их конструкций, но принцип их устройства одинаков. Обычно это плоская металлическая панель, в которой имеются каналы для жидкости. Поверхность этой панели, обращенная к Солнцу, - черная, для лучшего прогрева. Эта панель устанавливается в корпус, выполненный в виде плоской рамы. Для снижения тепловых потерь под панелью устанавливается теплоизоляция, а сверху она защищена специальным стеклом.
Жидкость (вода или специальный теплоноситель), проходящая через коллектор, нагревается солнечным излучением, а затем это тепло используется для нагрева водопроводной воды или отопления. Температура нагрева жидкости зависит от многих факторов: плотности и долготы солнечного излучения, эффективности конструкции коллектора, расхода жидкости через него, температуры окружающего воздуха и т.д. Следует отметить, что современные коллекторы позволяют получать на выходе из них достаточно высокие температуры теплоносителя, приближающиеся к 100 °С и даже выше.
- Татьяна Владимировна, в заключении хотелось бы узнать, когда будет построен первый солнечный дом по Вашему проекту?
- На данный момент стадия рабочее проектирование завершена, но к сожалению первый объект будет построен в Германии. Ведутся переговоры о строительстве таких домов в Московской области и южных регионах России. Первый объект на самообеспечении в виде передвижного демонстрационного жилого модуля, рассчитанного на жизнеобеспечение двух человек (два спальных места, мини кухня, душевая, гардероб, откидной стол и стулья, баки-накопители холодной и горячей воды, места для хранения аппаратуры) был запроектирован и изготовлен в 1999 г. Он демонстрировался на выставке "Спасение-2000".
Особенно актуальными вопросы энергосбережения становятся в связи с реализацией программы реформирования и модернизации жилищно-коммунального комплекса, согласно которому расходы на электро- и теплоснабжение в ближайшее время в стопроцентном объеме лягут на плечи населения.
Архитектор Т.В. Захарова, лицензия Г 626700, рег.№ РЦ - 0665
Российский Лицензионный Архитектурный Центр
тел. 482-50-93, тел./факс 211-10-36, факс 482-43-58, 473-21-39 (вечер)
Источник: "Строительный путеводитель", 22(154), июль 2001 г.
Другие системы СОЛНЕЧНОГО ОТОПЛЕНИЯ
Кроме описанных выше существует много других систем. Во многих патентных бюро во всем мире зарегистрированы тысячи наименований. Современная солнечная обогревательная система часто бывает снабжена тепловым насосом и иногда солнечными элементами, которые еще увеличивают число возможных комбинаций. Во многих случаях принципы и основные элементы остаются такими же, как и в системах, о которых говорилось выше.
Возможность использования солнечной энергии с целью отопления очень оптимистично оценивается в некоторых странах. По прогнозам Г. Гейяна, французского инженера-электрика, Франция сможет сэкономить около 5 тыс. кВт-ч электроэнергии на каждый дом в 2000 г., если будет построен миллион «солнечных домов». Это даст ежегодную экономию примерно 5 млрд. кВт-ч, а учитывая горячее водоснабжение и отопление,— /млрд. (10*) кВт-ч (7 тыс. кВт-ч на 1 дом). Это означает 0 7% всех потребностей Франции в электроэнергии в 2000 г. Фактические возможности еще более значительны. Р. Шерри и М. Морс, авторы книги «Солнечная панель», предполагают, что 35% обогрева и воздушного кондиционирования зданий в США к 2035 г будет производиться за счет солнечной энергии. К 1985 г 2 млн. баррелей нефти может быть сэкономлено ежедневно за счет солнечного обогревания.
Эксперименты в Туркмении (СССР) показали, что дополнительная стоимость зданий, оборудованных такими системами (отопление, 300 л горячей воды на семью в день и кондиционирование летом), составит не более 4—6% всей стоимости здания. Это может окупиться в сравнительно короткий срок за счет экономии электроэнергии и нефти.
К сожалению, очень важные вопросы пропорций между стоимостью зданий и солнечной энергии еще не обсуждались в деталях. Основная проблема состоит в том, что для каждого здания и разных климатических условий существуют свои оптимальные цифры. Ученые и инженеры до сих пор не пришли к единому мнению по поводу оптимальных методов использования солнечной энергии.
Институт Батей в Женеве (Ж- К- Курвуазье и Ж- Фурнье) опубликовал интересные расчеты для района Женевского озера, касающиеся использования солнечной энергии для обогрева. В Женеве, Лозанне и Невшателе ежегодные потребности в нефти для отопления жилища исчисляются в 3043 л (в Лейсане — 5650 л). Расчеты показывают, что даже при средней интенсивности излучения (число солнечных часов в год в Женеве— 1979, в Лозанне—1971, Невшателе—1699, Лейсане—1808) возможна довольно большая экономия нефти.
Для дома с жилой площадью 120 м2 и поверхностью коллектора 50 м2 (эффективность 70%) 48% ежегодно потребляемой нефти может быть сэкономлено в Женеве (1463 л), 52% в Лозанне (1583 л), 41% в Невшателе (1245 л), 47% в Лейсане (2650 л). Таким образом, использование солнечной энергии для обогрева домов в Швейцарии приведет к значительной экономии нефти, будут сэкономлены большие средства, а кроме того, меньше будет загрязняться окружающая среда.
Сабади П.Р.
Возможность использования солнечной энергии с целью отопления очень оптимистично оценивается в некоторых странах. По прогнозам Г. Гейяна, французского инженера-электрика, Франция сможет сэкономить около 5 тыс. кВт-ч электроэнергии на каждый дом в 2000 г., если будет построен миллион «солнечных домов». Это даст ежегодную экономию примерно 5 млрд. кВт-ч, а учитывая горячее водоснабжение и отопление,— /млрд. (10*) кВт-ч (7 тыс. кВт-ч на 1 дом). Это означает 0 7% всех потребностей Франции в электроэнергии в 2000 г. Фактические возможности еще более значительны. Р. Шерри и М. Морс, авторы книги «Солнечная панель», предполагают, что 35% обогрева и воздушного кондиционирования зданий в США к 2035 г будет производиться за счет солнечной энергии. К 1985 г 2 млн. баррелей нефти может быть сэкономлено ежедневно за счет солнечного обогревания.
Эксперименты в Туркмении (СССР) показали, что дополнительная стоимость зданий, оборудованных такими системами (отопление, 300 л горячей воды на семью в день и кондиционирование летом), составит не более 4—6% всей стоимости здания. Это может окупиться в сравнительно короткий срок за счет экономии электроэнергии и нефти.
К сожалению, очень важные вопросы пропорций между стоимостью зданий и солнечной энергии еще не обсуждались в деталях. Основная проблема состоит в том, что для каждого здания и разных климатических условий существуют свои оптимальные цифры. Ученые и инженеры до сих пор не пришли к единому мнению по поводу оптимальных методов использования солнечной энергии.
Институт Батей в Женеве (Ж- К- Курвуазье и Ж- Фурнье) опубликовал интересные расчеты для района Женевского озера, касающиеся использования солнечной энергии для обогрева. В Женеве, Лозанне и Невшателе ежегодные потребности в нефти для отопления жилища исчисляются в 3043 л (в Лейсане — 5650 л). Расчеты показывают, что даже при средней интенсивности излучения (число солнечных часов в год в Женеве— 1979, в Лозанне—1971, Невшателе—1699, Лейсане—1808) возможна довольно большая экономия нефти.
Для дома с жилой площадью 120 м2 и поверхностью коллектора 50 м2 (эффективность 70%) 48% ежегодно потребляемой нефти может быть сэкономлено в Женеве (1463 л), 52% в Лозанне (1583 л), 41% в Невшателе (1245 л), 47% в Лейсане (2650 л). Таким образом, использование солнечной энергии для обогрева домов в Швейцарии приведет к значительной экономии нефти, будут сэкономлены большие средства, а кроме того, меньше будет загрязняться окружающая среда.
Сабади П.Р.
Система Вагнера, или пассивное использование солнечной энергии
В зданиях, оборудованных системой такого рода, солнечная радиация непосредственно конвертируется в обогревание воздуха. Там нет солнечных коллекторов, но дом частично или полностью имеет покрытие из прозрачного стекла. Воздух между стеной дома и наружным стеклом нагревается вследствие парникового эффекта. Само здание обычно служит частью аккумулятора.
Типичный пример — «Растущий дом» (архит. М. Вагнер). Это здание, спроектированное в 1931 г., имеет площадь около 94 м2. Гостиная находится в центре здания, а другие комнаты расположены вокруг нее. Дом окружен стеклянным покрытием на расстоянии 1,5 м от конструкций. Эта воздушная подушка позволяет
достичь парникового эффекта. Эта идея также используется в автономном «солнечном доме», который исследуется в Кембридже. О нем уже говорилось выше.
Типичный пример — «Растущий дом» (архит. М. Вагнер). Это здание, спроектированное в 1931 г., имеет площадь около 94 м2. Гостиная находится в центре здания, а другие комнаты расположены вокруг нее. Дом окружен стеклянным покрытием на расстоянии 1,5 м от конструкций. Эта воздушная подушка позволяет
достичь парникового эффекта. Эта идея также используется в автономном «солнечном доме», который исследуется в Кембридже. О нем уже говорилось выше.
Система Бриджерса— Пакстона
Эта система, разработанная в 1956 г., была одной из первых, где распределение тепла было достигнуто обогреванием пола. Тепло принимается водяными коллекторами. Теплонакопитель и теплоноситель — вода. Эта система используется сегодня почти исключительно европейскими изготовителями.
Типичный пример — конторское здание Бриджерса—Пакстона в Альбюкере (Нью-Мексико, США). Отопление здания и конди ционирование осуществляются за счет солнечной энергии. Полезная площадь составляет около 410 м2. Солнечные коллекторы, использующие воду, делаются из алюминия и имеют площадь поглощающей поверхности 71 м2. Аккумулятор тепла вмещает 23 тыс. л воды.
Теплоотдача осуществляется с помощью наполненных водой труб, которые проходят по потолку и полу. Установка снабжена также тепловыми насосами. Эта система удовлетворительно функционирует с 1956 г.
Типичный пример — конторское здание Бриджерса—Пакстона в Альбюкере (Нью-Мексико, США). Отопление здания и конди ционирование осуществляются за счет солнечной энергии. Полезная площадь составляет около 410 м2. Солнечные коллекторы, использующие воду, делаются из алюминия и имеют площадь поглощающей поверхности 71 м2. Аккумулятор тепла вмещает 23 тыс. л воды.
Теплоотдача осуществляется с помощью наполненных водой труб, которые проходят по потолку и полу. Установка снабжена также тепловыми насосами. Эта система удовлетворительно функционирует с 1956 г.
Система Байера
Основное в этой системе — размещение в южной стене дома 90 баков, каждый вместимостью 200 л (всего 18 тыс. л воды). Когда светит солнце, окрашенные в черный цвет внешние поверхности открыты, и солнечная радиация, попадая на них через стеклянную пластину, нагревает воду . Ночью или в плохую погоду эти поверхности закрываются с внешней стороны движущимися покрытиями (щиты из тяжелого утеплителя) и отдают жилому помещению тепло, полученное в течение дня.
Типичный пример — дом Байера в Нью-Мексико (США, 1972 г.). Жилая площадь 185 м2 (один этаж), полезная площадь коллектора — 24,1 м2. На 90% дом обогревается за счет солнечной энергии, остальные 10% восполняются двумя каминами на древесном топливе. Летом «водяные стены» охлаждаются ночным воздухом и в течение дня используются для воздушного кондиционирования. Движущаяся внешняя плита имеет 35 см в толщину, весит всего 6,75 кг/м2 и играет важную роль в качестве утеплителя. Запасное отопление (два камина) используется не более 10 раз в год.
Типичный пример — дом Байера в Нью-Мексико (США, 1972 г.). Жилая площадь 185 м2 (один этаж), полезная площадь коллектора — 24,1 м2. На 90% дом обогревается за счет солнечной энергии, остальные 10% восполняются двумя каминами на древесном топливе. Летом «водяные стены» охлаждаются ночным воздухом и в течение дня используются для воздушного кондиционирования. Движущаяся внешняя плита имеет 35 см в толщину, весит всего 6,75 кг/м2 и играет важную роль в качестве утеплителя. Запасное отопление (два камина) используется не более 10 раз в год.
Sky-therm-система (Хэй-Джеллот)
В этой системе, основанной на принципе попеременного нагревания и испарения и примененной впервые в 1967 г., нет солнечных коллекторов и аккумуляторов тепла в обычном смысле этого слова. Поглощение и аккумулирование солнечной энергии осуществляется лотком с водой глубиной 21 см, установленным на плоской кровле. Лоток сделан из черных полиэтиленовых секций, которые покрываются тяжелыми полиуретановыми пластинами толщиной 4,5 см. Зимней ночью лоток накрыт и дом обогревается через потолок. Летом лоток оставляют открытым ночью и накрывают днем, осуществляя таким образом кондиционирование воздуха в помещении .
Типичный пример — дом в Финиксе (США, 1967 г.). Экспериментальный дом с одной комнатой, одноэтажный. Жилая площадь 11 м2. Площадь водного лотка 15,8 м2. Здание испытывалось два года и результаты оказались удовлетворительными. Дом, больший по величине, оборудованный такой системой, строится в Атаседеро, в Калифорнии (США).
Типичный пример — дом в Финиксе (США, 1967 г.). Экспериментальный дом с одной комнатой, одноэтажный. Жилая площадь 11 м2. Площадь водного лотка 15,8 м2. Здание испытывалось два года и результаты оказались удовлетворительными. Дом, больший по величине, оборудованный такой системой, строится в Атаседеро, в Калифорнии (США).
Система Тромба—Мишеля
Эта французская система солнечных домов (патент CRNS Тромба, 1956 г.) основана на принципе накопления солнечной энергии только в массе здания и напоминает систему Лефевра. Солнечная радиация поглощается вертикальными, обращенными на юг поверхностями с тройным остеклением, которые устанавливаются на черной бетонной стене (30 — 40 см). Поверхность стекла занимает 10% всей поверхности здания. Теплый воздух поступает через маленькие отверстия в жилое помещение и распределяется посредством естественной конвекции. Первый экспериментальный дом, в котором использован этот метод, был построен в Пиренеях в 1962 г.
Типичный пример — «Солнечное шале» в Одейло (архитектор ры Ф. Громб и Дж. Мишель, 1968 г.) (рис. 29). Шале имеет жилую площадь 80 м2 (в одном уровне). Вся южная сторона (кроме двойной двери) покрыта солнечными коллекторами. Так как климатические условия в Одейло очень благоприятны (2750 солнечных часов, 360 теплых дней в году) 0,5 м2 поверхности коллектора достаточно для каждых 10 м3 здания (в Париже 1 м2 на IU м , Шовенси-ле-Шато 1,3 м2 на. 10 м3). Потребности дома в тепле исчисляются 32 тыс. кВт-ч в год, 65% удовлетворяются за счет солнечной энергии. Запасное отопление электрическое.
Энергетическая автономия здания рассчитана на два дня.
Типичный пример — «Солнечное шале» в Одейло (архитектор ры Ф. Громб и Дж. Мишель, 1968 г.) (рис. 29). Шале имеет жилую площадь 80 м2 (в одном уровне). Вся южная сторона (кроме двойной двери) покрыта солнечными коллекторами. Так как климатические условия в Одейло очень благоприятны (2750 солнечных часов, 360 теплых дней в году) 0,5 м2 поверхности коллектора достаточно для каждых 10 м3 здания (в Париже 1 м2 на IU м , Шовенси-ле-Шато 1,3 м2 на. 10 м3). Потребности дома в тепле исчисляются 32 тыс. кВт-ч в год, 65% удовлетворяются за счет солнечной энергии. Запасное отопление электрическое.
Энергетическая автономия здания рассчитана на два дня.
Система Моргана
Эта первая европейская система была построена в 1961 г. около Ливерпуля в Англии. Здание обогревается только солнечной энергией и некоторыми незначительными источниками (человеческое тепло, лампы). Там нет солнечных коллекторов в обычном смысле этого слова и нет аккумуляторов, так как тепло накапливается в стенах и потолке здания.
Типичный пример — школа святого Георгия в Валласей (Ливерпуль, Англия; архйт. А. Е. Морган, 1961 г.). Двухэтажное здание школы, рассчитанной на 320 учеников, имеет 67 м в длину. Южная сторона на.90% состоит из стекла, за которым помещается окрашенная в черный цвет бетонная стена. Бетонный потолок и кирпичные стены сделаны такого размера, чтобы они могли поглотить как можно ^больше тепла, сохранить его, а затем отдать. Там нет запасного обогрева, а потребность в дополнительном отоплении осуществляется за счет человеческого тепла, электрического света. Энергетическая автономия здания 7 дней. Измерения, проделанные Ливерпульским университетом (М. Г. Давиес) показывают, что такая обогревательная система действует удовлетворительно.
Типичный пример — школа святого Георгия в Валласей (Ливерпуль, Англия; архйт. А. Е. Морган, 1961 г.). Двухэтажное здание школы, рассчитанной на 320 учеников, имеет 67 м в длину. Южная сторона на.90% состоит из стекла, за которым помещается окрашенная в черный цвет бетонная стена. Бетонный потолок и кирпичные стены сделаны такого размера, чтобы они могли поглотить как можно ^больше тепла, сохранить его, а затем отдать. Там нет запасного обогрева, а потребность в дополнительном отоплении осуществляется за счет человеческого тепла, электрического света. Энергетическая автономия здания 7 дней. Измерения, проделанные Ливерпульским университетом (М. Г. Давиес) показывают, что такая обогревательная система действует удовлетворительно.
Система Лефевра
Эта очень интересная и простая система была впервые использована в 1954 г. Стены здания обогреваются посредством вертикально установленных коллекторов и служат аккумуляторами (рис. 28). Таким образом, обычно очень дорогой аккумулятор тепла устраняется, и вся обогревательная система становится дешевле.
Типичный пример — дом Лефевра в Стоверстоне (Пенсильвания, США; архит. X. Р. Лефевр, 1954 г.). Двухэтажный дом,
в котором отапливается только нижний этаж (общая полезная площадь 116 м2). Солнечный коллектор воздушного типа с двойным остеклением (площадь поверхности 41,8 м2) устанавливается вертикально на втором этаже с южной стороны. Никаких специальных аккумуляторов, они устроены в стенах. Жилые помещения обогреваются циркуляцией теплового воздуха. Около 40—50% всех потребностей в обогреве дома осуществляется за счет солнечной энергии. Запасное отопление газовое.
Типичный пример — дом Лефевра в Стоверстоне (Пенсильвания, США; архит. X. Р. Лефевр, 1954 г.). Двухэтажный дом,
в котором отапливается только нижний этаж (общая полезная площадь 116 м2). Солнечный коллектор воздушного типа с двойным остеклением (площадь поверхности 41,8 м2) устанавливается вертикально на втором этаже с южной стороны. Никаких специальных аккумуляторов, они устроены в стенах. Жилые помещения обогреваются циркуляцией теплового воздуха. Около 40—50% всех потребностей в обогреве дома осуществляется за счет солнечной энергии. Запасное отопление газовое.
Система Лёфа
Первая система с воздушными коллекторами и аккумуляторами с гравием была использована в Булдер-Хаус, построенном в 1945 г. Обогревание - осуществлялось распределением горячего воздуха. Аккумулятор тепла мог устанавливаться как горизонтально, так и вертикально (рис. 27).
Типичный пример — дом Лёфа в Денвер Колорадо (США, 1959 г.). Жилая площадь около 186 м2. Площадь поверхности коллекторов воздушного типа 55,7 м2. Они установлены на южной стороне кровли под углом 45°. Воздух, нагреваемый в кол лекторах, подается с помощью мотора в 1 л. с. в аккумулятор, который состоит из двух вертикальных цилиндров (91 см в диаметре, 5,5 м в высоту), заполненных 6 т гравия. Воздух проходит через горячий гравий и поступает в жилое помещение. Зимой около 25—30% необходимой отопительной энергии и часть потребностей в горячей воде удовлетворяются солнечной энергией. Летом специальные коллекторы с одинарным остеклением дают энергию для кондиционирования, а коллекторы с двойным остеклением снабжают горячей водой.
Типичный пример — дом Лёфа в Денвер Колорадо (США, 1959 г.). Жилая площадь около 186 м2. Площадь поверхности коллекторов воздушного типа 55,7 м2. Они установлены на южной стороне кровли под углом 45°. Воздух, нагреваемый в кол лекторах, подается с помощью мотора в 1 л. с. в аккумулятор, который состоит из двух вертикальных цилиндров (91 см в диаметре, 5,5 м в высоту), заполненных 6 т гравия. Воздух проходит через горячий гравий и поступает в жилое помещение. Зимой около 25—30% необходимой отопительной энергии и часть потребностей в горячей воде удовлетворяются солнечной энергией. Летом специальные коллекторы с одинарным остеклением дают энергию для кондиционирования, а коллекторы с двойным остеклением снабжают горячей водой.
Система Блисса — Денована
Дом, оборудованный такой системой с аккумулятором, заполненным гравием, был построен в 1945 г. Нагретый воздух из солнечного коллектора поступал в аккумулятор, а оттуда уже в жилое помещение через вторую циркуляционную систему (рис. 26).
Типичный пример — Дом Блисса в Амадо, Аризона (США; архитекторы Р. В. Блисс и М. К. Денован, 1954 г.). Это был первый дом, в котором обогревание и кондиционирование осуществлялось целиком за счет солнечной энергии.
Одноэтажный дом площадью 65 м2. Площадь поверхности солнечного коллектора воздушного типа 29,2 м2, одинарное стекло, аккумулятор вместимостью 65 т с галькой (емкость 35 м3), в подвале было предусмотрено запасное электрическое обогревание, но оно не используется. Летом кондиционирование осуществлялось при помощи той же системы.
Эстетические и архитектурные проблемы не были решены, но правильность всей системы была доказана. Эта система также стала классической и с тех пор часто использовалась во многих зданиях с некоторыми изменениями, иногда усовершенствованиями.
Типичный пример — Дом Блисса в Амадо, Аризона (США; архитекторы Р. В. Блисс и М. К. Денован, 1954 г.). Это был первый дом, в котором обогревание и кондиционирование осуществлялось целиком за счет солнечной энергии.
Одноэтажный дом площадью 65 м2. Площадь поверхности солнечного коллектора воздушного типа 29,2 м2, одинарное стекло, аккумулятор вместимостью 65 т с галькой (емкость 35 м3), в подвале было предусмотрено запасное электрическое обогревание, но оно не используется. Летом кондиционирование осуществлялось при помощи той же системы.
Эстетические и архитектурные проблемы не были решены, но правильность всей системы была доказана. Эта система также стала классической и с тех пор часто использовалась во многих зданиях с некоторыми изменениями, иногда усовершенствованиями.
Система Телкеса—Раймонда.
В этой системе были впервые установлены в 1948 г. солнечные коллекторы воздушного типа с аккумуляторами, использующими глауберову соль (Na2SO4-10H2O) (рис.25).
В солнечных коллекторах нагревался воздух, который поступал в химические аккумуляторы. Теплый воздух по каналам направлялся из аккумуляторов в жилые помещения.
Типичный пример — Дом Пибоди в Довер-Масс (США; архитекторы М. Телкес и Е. Раймонд, 1948 г.). Двухэтажный дом, однако второй этаж не отапливается. Солнечные коллекторы воздушного тина площадью 66,9 м2 установлены вертикально с южной стороны. Аккумуляторы тепла емкостью 13,3 м3, наполненные глауберовой солью (Na2SO4-10H2O). Общий объем аккумулятора — 28,3 м3; 80% всех потребностей в отоплении дома удовлетворялись за счет солнечной энергии. Запасное обогревание — электрическое. Энергетическая автономия здания— шесть дней.
В солнечных коллекторах нагревался воздух, который поступал в химические аккумуляторы. Теплый воздух по каналам направлялся из аккумуляторов в жилые помещения.
Типичный пример — Дом Пибоди в Довер-Масс (США; архитекторы М. Телкес и Е. Раймонд, 1948 г.). Двухэтажный дом, однако второй этаж не отапливается. Солнечные коллекторы воздушного тина площадью 66,9 м2 установлены вертикально с южной стороны. Аккумуляторы тепла емкостью 13,3 м3, наполненные глауберовой солью (Na2SO4-10H2O). Общий объем аккумулятора — 28,3 м3; 80% всех потребностей в отоплении дома удовлетворялись за счет солнечной энергии. Запасное обогревание — электрическое. Энергетическая автономия здания— шесть дней.
Система MJT.
Самый первый «солнечный дом», построенный между 1939 и 1959 г., в Массачусетсом технологическом институте архитекторами X. С. Хоттелом, Б. Б. Воертсом, А. Г. Диетсом, С. Д. Энгебретсоном, имел водяную отопительную систему, ставшую с тех пор классической (рис. 23). Вода, наполняющая солнечные коллекторы (с одинарным, двойным
ii тройным остеклением), поглощала солнечное тепло. Эта теплая вода накачивалась в аккумуляторы, расположенные в подвале. Горячая вода в аккумуляторах нагревала воздух, который нагнетался в жилые помещения.
Типичный пример системы MJT дает «солнечный дом» № 3 (архитекторы, X. С. Хоттел и С. Д. Энгебретсон, 1949 г.). Экспериментальное здание одноэтажное, однокомнатное. Площадь пола 55,7 м2. Площадь поверхности солнечного коллектора водяного типа 37,2 м2, наклон в южную сторону 57°, двойное остекление, цилиндрические аккумуляторы 91 см в диаметре, 9,1 м высоты, емкостью 6750 л. 30% энергии радиации поступает в аккумуляторы. В среднем 90% всех потребностей в отоплении дома удовлетворялись за счет солнечной энергии (в самые холодные месяцы 75—85%). Энергетическая автономия здания (независимость от внешних источников энергии) составляет два дня.
ii тройным остеклением), поглощала солнечное тепло. Эта теплая вода накачивалась в аккумуляторы, расположенные в подвале. Горячая вода в аккумуляторах нагревала воздух, который нагнетался в жилые помещения.
Типичный пример системы MJT дает «солнечный дом» № 3 (архитекторы, X. С. Хоттел и С. Д. Энгебретсон, 1949 г.). Экспериментальное здание одноэтажное, однокомнатное. Площадь пола 55,7 м2. Площадь поверхности солнечного коллектора водяного типа 37,2 м2, наклон в южную сторону 57°, двойное остекление, цилиндрические аккумуляторы 91 см в диаметре, 9,1 м высоты, емкостью 6750 л. 30% энергии радиации поступает в аккумуляторы. В среднем 90% всех потребностей в отоплении дома удовлетворялись за счет солнечной энергии (в самые холодные месяцы 75—85%). Энергетическая автономия здания (независимость от внешних источников энергии) составляет два дня.
СИСТЕМА СОЛНЕЧНОГО ОТОПЛЕНИЯ
Почти половина всей производимой энергии используется для обогрева воздуха (например, в Швейцарии около 46%). Солнце светит и зимой, но это рассеянное и прямое излучение обычно недооценивается.
Декабрьским днем недалеко от Цюриха физик А. Фишер генерировал пар; это было, когда солнце находилось в своей самой низкой точке, а температура воздуха была 3°С. Днем позже солнечный коллектор площадью 0,7 м2 нагрел 30 л холодной воды из садового водопровода до +60° С.
Солнечная энергия зимой может легко использоваться для обогрева воздуха. Весной и осенью, когда часто бывает солнечно, но холодно, солнечный обогрев помещений позволит не включать нефтяное отопление. Это дает возможность сэкономить часть энергии для работы всей системы. Для домов, которыми редко пользуются, или для сезонного жилища (дачи, бунгало, кемпинги), обогрев на солнечной энергии особенно полезен зимой, что исключает чрезмерное охлаждение стен, предотвращая разрушение от конденсации влаги и плесени. Таким образом, ежегодные эксплуатационные расходы в основном снижаются. Чтобы согреть дом зимой, не требуется большой поверхности коллектора, но та же установка снабжает дом горячей водой летом, когда дачи и кемпинги в основном и используются.
Хотя греческий писатель Ксенофонт описал около 2400 лет назад возможное использование солнечной энергии, первые дома, в которых пытались использовать солнечную энергию, были построены только между 1930 и 1945 г. Но первые попытки потерпели неудачу из-за низких теплоизоляционных качеств этих домов: в них было слишком много окон. Эксплуатация «солнечного дома» MJT 1 (рис. 23), построенного в 1939 г., дала интересные результаты (Массачусетский технологический институт, X. С. Хоттел, Б. Б. Воертс). Это экспериментальное здание площадью примерно 46 м2 с солнечными коллекторами площадью 37 м2, установленными на солнечной стороне крыши под углом 30°. Коллекторы работают на воде, поглощающие поверхности и трубы из меди, остекление тройное, аккумуляторы — на 62 тыс. л воды, которая к концу лета нагревалась до 75° С. Горячая вода нагревала воздух в помещении. Этот дом определил первые проблемы, связанные с использованием солнечного обогревания, например: течь водяных баков, поломка коллекторов при термальном расширении, недостаточное утепление и дороговизна секций накопительных аккумуляторов. На рис. 24, 29, 30 показаны системы других отопительных систем на воде.
В этот период уже были обоснованы основные составные части солнечной отопительной установки: солнечный коллектор (водяного или воздушного типа, концентрирующий или нет); теплоноситель для аккумулятора (вода, камень, бетон или химические материалы, сохраняющие тепло); теплоноситель для отопления помещений (вода, воздух или химикалии); нагревательные приборы (радиаторы, трубы, проложенные под полом, и т. п.). В зависимости от требований они могут комбинироваться в различных вариантах. Детально эти компоненты анализируются в гл. 6.
Поиски технически и экономически удовлетворительных решений привели к появлению сотен патентов в разных частях света, многие из них были осуществлены и испробованы. Некоторые из наиболее известных описаны ниже.
Система MJT
Система Телкеса—Раймонда
Система Блисса — Денована
Система Лёфа
Система Лефевра
Система Моргана
Система Тромба—Мишеля
Sky-therm-система (Хэй-Джеллот)
Система Байера
Система Бриджерса— Пакстона
Система Вагнера, или пассивное использование солнечной энергии
Другие системы
Декабрьским днем недалеко от Цюриха физик А. Фишер генерировал пар; это было, когда солнце находилось в своей самой низкой точке, а температура воздуха была 3°С. Днем позже солнечный коллектор площадью 0,7 м2 нагрел 30 л холодной воды из садового водопровода до +60° С.
Солнечная энергия зимой может легко использоваться для обогрева воздуха. Весной и осенью, когда часто бывает солнечно, но холодно, солнечный обогрев помещений позволит не включать нефтяное отопление. Это дает возможность сэкономить часть энергии для работы всей системы. Для домов, которыми редко пользуются, или для сезонного жилища (дачи, бунгало, кемпинги), обогрев на солнечной энергии особенно полезен зимой, что исключает чрезмерное охлаждение стен, предотвращая разрушение от конденсации влаги и плесени. Таким образом, ежегодные эксплуатационные расходы в основном снижаются. Чтобы согреть дом зимой, не требуется большой поверхности коллектора, но та же установка снабжает дом горячей водой летом, когда дачи и кемпинги в основном и используются.
Хотя греческий писатель Ксенофонт описал около 2400 лет назад возможное использование солнечной энергии, первые дома, в которых пытались использовать солнечную энергию, были построены только между 1930 и 1945 г. Но первые попытки потерпели неудачу из-за низких теплоизоляционных качеств этих домов: в них было слишком много окон. Эксплуатация «солнечного дома» MJT 1 (рис. 23), построенного в 1939 г., дала интересные результаты (Массачусетский технологический институт, X. С. Хоттел, Б. Б. Воертс). Это экспериментальное здание площадью примерно 46 м2 с солнечными коллекторами площадью 37 м2, установленными на солнечной стороне крыши под углом 30°. Коллекторы работают на воде, поглощающие поверхности и трубы из меди, остекление тройное, аккумуляторы — на 62 тыс. л воды, которая к концу лета нагревалась до 75° С. Горячая вода нагревала воздух в помещении. Этот дом определил первые проблемы, связанные с использованием солнечного обогревания, например: течь водяных баков, поломка коллекторов при термальном расширении, недостаточное утепление и дороговизна секций накопительных аккумуляторов. На рис. 24, 29, 30 показаны системы других отопительных систем на воде.
В этот период уже были обоснованы основные составные части солнечной отопительной установки: солнечный коллектор (водяного или воздушного типа, концентрирующий или нет); теплоноситель для аккумулятора (вода, камень, бетон или химические материалы, сохраняющие тепло); теплоноситель для отопления помещений (вода, воздух или химикалии); нагревательные приборы (радиаторы, трубы, проложенные под полом, и т. п.). В зависимости от требований они могут комбинироваться в различных вариантах. Детально эти компоненты анализируются в гл. 6.
Поиски технически и экономически удовлетворительных решений привели к появлению сотен патентов в разных частях света, многие из них были осуществлены и испробованы. Некоторые из наиболее известных описаны ниже.
Система MJT
Система Телкеса—Раймонда
Система Блисса — Денована
Система Лёфа
Система Лефевра
Система Моргана
Система Тромба—Мишеля
Sky-therm-система (Хэй-Джеллот)
Система Байера
Система Бриджерса— Пакстона
Система Вагнера, или пассивное использование солнечной энергии
Другие системы
СИСТЕМА СОЛНЕЧНОГО НАГРЕВАНИЯ ВОДЫ
Когда солнечные лучи падают на какую-нибудь поверхность, ее температура повышается по сравнению с окружающим воздухом. Это повышение температуры есть результат накопления тепла на этой поверхности благодаря поглощению энергии солнечной радиации. Если под нагревающейся поверхностью мы устроим емкость, в которой будет циркулировать вода, то вода будет нагреваться.
Время повышения температуры до нужного уровня зависит от того количества калорий, которое вода получит от солнца, а также от устройства поглощающих элементов (солнечные коллекторы) и аккумуляторов (цистерна, бак).
Д-р С. Г. Абботт, пионер в исследовании солнечной энергии, в своей книге «Как использовать тепло Солнца» описывает примитивный, но тем не менее удобный генератор теплой воды так: «Я купил 6 м длинного черного садового шланга, обмотал 4,5 м вокруг деревянной рамы и поднял эту конструкцию по лестнице на южную сторону крыши моего дома. Остальные 1,5 м я привязал к крану во дворе и к крану в ванной. Благодаря этому простому устройству в солнечный день мы имели 22 л очень теплой воды каждые полчаса».
Конечно, установки, коммерчески выгодные, сегодня не так просты. Однако они устроены по тому же принципу, хотя и имеют гораздо большую эффективность.
Современный солнечный генератор теплой воды состоит из двух основных частей: солнечного коллектора и резервуара с теплой водой. Поверхность коллектора может нагреть воду от 50° С до 80° С. В вакуумных коллекторах с идеальными поверхностями температура достигает 300 —350° С. Использование параболических радиационных концентраторов позволяет достигнуть еще более высокой температуры. Различные типы солнечных коллекторов анализируются в гл. 6.
Нагретая солнцем вода из коллектора (55—56° С) поступает в теплообменник солнечного бака (цистерны), в котором нагревается нужное для употребления количество воды (150— 500 л). Это нагревание может быть различным в зависимости от продолжительности и интенсивности солнечного света. Циркуляция нагретой воды может происходить по термосифоиному принципу (рис. 20) или с помощью насоса (рис. 21), который контролируется термостатом, установленным в самом верхнем коллекторе.
Баки (цистерны) могут быть сделаны из металла или пластика и должны иметь термическую изоляцию. Для промышленных нужд, когда требуется много воды, используют баки массового производства вместимостью несколько тысяч литров. Такие баки пригодны для больниц, казарм, бань, кемпингов, отелей, школ-интернатов и т. д.
Коллекторы могут быть объединены в серии, и дневная норма нагретой солнцем воды, таким образом, будет увеличена.
В Северной Африке и на Среднем Востоке существуют установки, которые дают в день 50—100 тыс. л горячей воды.
Большие установки такого рода существуют и в Европе. Например, французская фирма «Софэ» построила высокопродуктивную установку при гостинице на 35 номеров и кемпинге. В Берне, в Швейцарии, действует установка, которая производит
9 тыс. л горячей воды с помощью 40 м2 поверхности коллектора.
В некоторых японских установках солнечные коллекторы и баки-аккумуляторы составляют единую систему. Чтобы обеспечить естественную термосифонную циркуляцию, баки должны быть по меньшей мере на 600 мм выше, чем самый верхний коллектор; если это невозможно, нужно использовать циркуляционный насос. Связь с домом осуществляется посредством тонких усиленных медных трубок диаметром 30 мм, применение которых позволяет избежать теплопотери. Для пасмурных дней предусмотрен электронагревательный элемент мощностью 0,5— 2 кВт-ч, регулируемый термостатом. Баки и система труб работают под давлением приблизительно 6 атм., а контрольное давление во многих случаях равно 10—12 атм.
Баки с теплой водой устанавливаются на крыше или в подвале. Французская фирма «Эксенерсоль» разработала систему, в которой накопительные баки проектируются как кухонная мебель и расставляются на кухне так же, как плита или холодильник (рис. 22).
Французская фирма «Софэ», о которой уже упоминалось, серийно выпускает бойлеры на двойном источнике питания: солнечно-электрические, солнечно-газовые или солнечно-нефтяные, использующиеся во Франции и Испании. Для разных климатических зон и географического положения существует оптимальное отношение между поверхностью коллектора и объемом бака. Как среднюю величину «Софэ» предлагает 35 л/м2-ч.
Путем объединения солнечного бойлера с уже существующим нефтяным, газовым или электрическим можно сократить затраты энергии за счет предварительного нагрева холодной воды посредством радиации даже в пасмурную погоду. Когда нужное количество воды нагревается солнцем, традиционное отопление автоматически отключается. Из-за постоянно увеличивающейся потребности в горячей воде использование солнечного нагрева становится все более важным средством экономии топлива и денежных средств. В 1940 г. в день на человека приходилось 25—30 л горячей воды; в 1960 г. —40—60 л, а в 1980 г. эта цифра возрастет до 70—90 л в день. Эта цифра уже превышена в США. С помощью солнечной энергии можно удовлетворить значительную часть потребностей в горячей воде и в результате сохранить другие виды энергии.
В солнечных районах можно в течение 9 мес в году получать горячую воду с температурой по меньшей мере 50° С с помощью коллекторов с обычной поверхностью. Даже около Лондона можно каждый день в течение пяти летних месяцев получать 50 л горячей воды с температурой 55° С с 1 м2 поверхности коллектора.
Потребность в горячей воде зависит от размера дома, количества людей, проживающих в нем, от уровня жизни, рода занятий, возраста, времени года и других условий. Требуемая температура колеблется между 30 и 90° С, по если возможно, не следует превышать 60° С, чтобы избежать коррозии и накипи.
Температура воды в водоразборном кране обычно составляет 35—40° С — в ванной; 55—60° С —на кухне и 90—95° С —для стирки (фактически температура используемой воды равна примерно 45° С).
Для наполнения ванны требуется около 150 л воды при 40°С, это означает затрату 4500 ккал и требует расхода приблизительно 0,75 л нефти. Сегодня в Швейцарии ежедневно на человека в среднем расходуется 60 л горячей воды (3 тыс. ккал, 0,5 л нефти). Это составляет ежегодно 2200 л на человека (1,1 млн. ккал, или около 200 л нефти).
Многие сооруженные в Швейцарии установки для солнечного горячего водоснабжения доказали, что даже при средних климатических условиях (например, Цюрих — 47°30/ с. ш., интенсивность солнечного излучения 1160 кВт*ч*м2 в год; продолжительность—1693 ч в год) много горячей воды можно получить посредством использования солнечной энергии. Солнечный коллектор, который превращает примерно 70% солнечного излучения в тепло, нагревающее воду, может в Центральной Швейцарии производить в год в среднем более 7 тыс. л горячей воды / = 50° С. В Альпах или в Тессине производительность повышается до 10 тыс. л/м2 в год.
Шэрер из Гренхена (Швейцария) спроектировал солнечную установку для горячего водоснабжения с поверхностью коллектора 10,5 м2 и таким образом сэкономил около 1187 л нефти в течение летних месяцев (апрель — сентябрь). В это время даже обычные комбинированные обогревательные системы работают с малой производительностью: 10—20% вместо 60—80%. В солнечные дни нефтяные нагреватели полностью отключались, и среднедневной расход нефти в год сократился с 16,73 до 10,24 л, таким образом, в день экономилось около 6,5 л нефти.
В июле и августе в Цюрихе можно получить максимальное количество горячей воды, около 42 л/м2 в день, минимальное — в декабре — около 4 л/м2 в день, в конце февраля — около 20 л/м2 в день, то же в середине октября. Интенсивность солнечного излучения также достигает своего максимума и минимума в эти месяцы (в августе — около 4,4 кВт/м2 в день; в декабре— около 0,8 кВт/м2 в день). Эти цифры предполагают среднюю производительность коллектора для Цюриха 45%.' При температуре поступающей воды +10° С это позволяет получить горячую воду с * = 50° С. Для центральной Англии (52" с. ш.) больше всего горячей воды производится в июне и июле— около 45 л/м2 в день, меньше всего в декабре — около 2 л/м2 в день. Если мы суммируем эти цифры по всей стране, например по Швейцарии, мы увидим, как много импортируемой нефти можно сэкономить, получая горячую воду с помощью солнечной энергии.
В Швейцарии ежедневная потребность в теплой воде на одного человека, составляющая 40 л при t = 60°Ct может легко быть получена летом с 1 м2 поверхности коллектора. Если каждый домовладелец имел бы 1—2 м2 коллекторов на крыше (всего 6 млн. м2), Швейцария могла бы, согласно расчетам Швейцарской ассоциации по солнечной энергии (SSES), сэкономить около 1 млн. т нефти в год. Это составит 10% импорта нефти, или Уз всех потребностей в электричестве.
Согласно расчетам, проведенным во Франции, обычный дом площадью примерно 100 м2 будет потреблять в 2000 г. около
4 тыс. кВт-ч энергии в год (12,5 кВт-ч в день), из них в среднем 2 тыс. кВт-ч в год может производиться за счет солнца. Строительство 1 млн. водяных солнечных нагревательных установок сэкономят стране около 2 млрд. кВт-ч энергии ежегодно. Такие же расчеты (И. Ф. Р. Дикинсом, «Е. М. А. Лимитед»), проведенные в Великобритании, показали, что дом на четырех человек потребляет 150 л горячей воды (/ = 60° С) в день, что составляет 9 кВт-ч в день, т. е. 3300 кВт-ч в год. В юго-восточной Англии можно получить 1000 кВт*ч/м2 солнечной энергии в год. При средней производительности 30% коллектор площадью 8 м2 удовлетворят 2/з всех потребностей в горячей воде в частном доме. Это составит 2000 кВт*ч в год, и, таким образом, как и во Франции, 1 млн. таких установок обеспечит общую ежегодную экономию в 2 млрд. кВт-ч.
На втором симпозиуме Швейцарской ассоциации по солнечной энергии в Лозаннском университете (июнь 1975 г.) были приведены некоторые цифры, демонстрирующие экономию нефти путем использования солнечной энергии. Например, для отеля в Перпиньяне (примерно на 35 номеров) цифры, определяющие эту экономию в течение семи лет, следующие: с мая по август— 200 л нефти на м2; с ноября по февраль — 50 л нефти на м2; с сентября по октябрь и с марта по апрель —70 л нефти на м2.
Это означает ежегодную экономию нефти 320 л на м2 поверхности коллектора. В Перпиньяне 2500 солнечных часов в году, 150 теплых дней (см. прил. 1).
Неудивительно, что в 1951 г. 50 тыс. водяных солнечно-нагревательных установок уже существовало во Флориде. Экономия, электроэнергии исчислялась 150 тыс. кВт-ч каждый день.
Низкие цены на нефть и электричество в 60-е годы сделали эти установки сравнительно менее экономичными, но сегодня несколько миллионов солнечных обогревателей построено во всем мире, 3,5 млн. — только в Японии. Европейские фирмы также проявляют большой интерес к этой новой технологии, так что можно надеяться, что такие установки получат еще более широкое распространение.
Сабади П.Р.
Время повышения температуры до нужного уровня зависит от того количества калорий, которое вода получит от солнца, а также от устройства поглощающих элементов (солнечные коллекторы) и аккумуляторов (цистерна, бак).
Д-р С. Г. Абботт, пионер в исследовании солнечной энергии, в своей книге «Как использовать тепло Солнца» описывает примитивный, но тем не менее удобный генератор теплой воды так: «Я купил 6 м длинного черного садового шланга, обмотал 4,5 м вокруг деревянной рамы и поднял эту конструкцию по лестнице на южную сторону крыши моего дома. Остальные 1,5 м я привязал к крану во дворе и к крану в ванной. Благодаря этому простому устройству в солнечный день мы имели 22 л очень теплой воды каждые полчаса».
Конечно, установки, коммерчески выгодные, сегодня не так просты. Однако они устроены по тому же принципу, хотя и имеют гораздо большую эффективность.
Современный солнечный генератор теплой воды состоит из двух основных частей: солнечного коллектора и резервуара с теплой водой. Поверхность коллектора может нагреть воду от 50° С до 80° С. В вакуумных коллекторах с идеальными поверхностями температура достигает 300 —350° С. Использование параболических радиационных концентраторов позволяет достигнуть еще более высокой температуры. Различные типы солнечных коллекторов анализируются в гл. 6.
Нагретая солнцем вода из коллектора (55—56° С) поступает в теплообменник солнечного бака (цистерны), в котором нагревается нужное для употребления количество воды (150— 500 л). Это нагревание может быть различным в зависимости от продолжительности и интенсивности солнечного света. Циркуляция нагретой воды может происходить по термосифоиному принципу (рис. 20) или с помощью насоса (рис. 21), который контролируется термостатом, установленным в самом верхнем коллекторе.
Баки (цистерны) могут быть сделаны из металла или пластика и должны иметь термическую изоляцию. Для промышленных нужд, когда требуется много воды, используют баки массового производства вместимостью несколько тысяч литров. Такие баки пригодны для больниц, казарм, бань, кемпингов, отелей, школ-интернатов и т. д.
Коллекторы могут быть объединены в серии, и дневная норма нагретой солнцем воды, таким образом, будет увеличена.
В Северной Африке и на Среднем Востоке существуют установки, которые дают в день 50—100 тыс. л горячей воды.
Большие установки такого рода существуют и в Европе. Например, французская фирма «Софэ» построила высокопродуктивную установку при гостинице на 35 номеров и кемпинге. В Берне, в Швейцарии, действует установка, которая производит
9 тыс. л горячей воды с помощью 40 м2 поверхности коллектора.
В некоторых японских установках солнечные коллекторы и баки-аккумуляторы составляют единую систему. Чтобы обеспечить естественную термосифонную циркуляцию, баки должны быть по меньшей мере на 600 мм выше, чем самый верхний коллектор; если это невозможно, нужно использовать циркуляционный насос. Связь с домом осуществляется посредством тонких усиленных медных трубок диаметром 30 мм, применение которых позволяет избежать теплопотери. Для пасмурных дней предусмотрен электронагревательный элемент мощностью 0,5— 2 кВт-ч, регулируемый термостатом. Баки и система труб работают под давлением приблизительно 6 атм., а контрольное давление во многих случаях равно 10—12 атм.
Баки с теплой водой устанавливаются на крыше или в подвале. Французская фирма «Эксенерсоль» разработала систему, в которой накопительные баки проектируются как кухонная мебель и расставляются на кухне так же, как плита или холодильник (рис. 22).
Французская фирма «Софэ», о которой уже упоминалось, серийно выпускает бойлеры на двойном источнике питания: солнечно-электрические, солнечно-газовые или солнечно-нефтяные, использующиеся во Франции и Испании. Для разных климатических зон и географического положения существует оптимальное отношение между поверхностью коллектора и объемом бака. Как среднюю величину «Софэ» предлагает 35 л/м2-ч.
Путем объединения солнечного бойлера с уже существующим нефтяным, газовым или электрическим можно сократить затраты энергии за счет предварительного нагрева холодной воды посредством радиации даже в пасмурную погоду. Когда нужное количество воды нагревается солнцем, традиционное отопление автоматически отключается. Из-за постоянно увеличивающейся потребности в горячей воде использование солнечного нагрева становится все более важным средством экономии топлива и денежных средств. В 1940 г. в день на человека приходилось 25—30 л горячей воды; в 1960 г. —40—60 л, а в 1980 г. эта цифра возрастет до 70—90 л в день. Эта цифра уже превышена в США. С помощью солнечной энергии можно удовлетворить значительную часть потребностей в горячей воде и в результате сохранить другие виды энергии.
В солнечных районах можно в течение 9 мес в году получать горячую воду с температурой по меньшей мере 50° С с помощью коллекторов с обычной поверхностью. Даже около Лондона можно каждый день в течение пяти летних месяцев получать 50 л горячей воды с температурой 55° С с 1 м2 поверхности коллектора.
Потребность в горячей воде зависит от размера дома, количества людей, проживающих в нем, от уровня жизни, рода занятий, возраста, времени года и других условий. Требуемая температура колеблется между 30 и 90° С, по если возможно, не следует превышать 60° С, чтобы избежать коррозии и накипи.
Температура воды в водоразборном кране обычно составляет 35—40° С — в ванной; 55—60° С —на кухне и 90—95° С —для стирки (фактически температура используемой воды равна примерно 45° С).
Для наполнения ванны требуется около 150 л воды при 40°С, это означает затрату 4500 ккал и требует расхода приблизительно 0,75 л нефти. Сегодня в Швейцарии ежедневно на человека в среднем расходуется 60 л горячей воды (3 тыс. ккал, 0,5 л нефти). Это составляет ежегодно 2200 л на человека (1,1 млн. ккал, или около 200 л нефти).
Многие сооруженные в Швейцарии установки для солнечного горячего водоснабжения доказали, что даже при средних климатических условиях (например, Цюрих — 47°30/ с. ш., интенсивность солнечного излучения 1160 кВт*ч*м2 в год; продолжительность—1693 ч в год) много горячей воды можно получить посредством использования солнечной энергии. Солнечный коллектор, который превращает примерно 70% солнечного излучения в тепло, нагревающее воду, может в Центральной Швейцарии производить в год в среднем более 7 тыс. л горячей воды / = 50° С. В Альпах или в Тессине производительность повышается до 10 тыс. л/м2 в год.
Шэрер из Гренхена (Швейцария) спроектировал солнечную установку для горячего водоснабжения с поверхностью коллектора 10,5 м2 и таким образом сэкономил около 1187 л нефти в течение летних месяцев (апрель — сентябрь). В это время даже обычные комбинированные обогревательные системы работают с малой производительностью: 10—20% вместо 60—80%. В солнечные дни нефтяные нагреватели полностью отключались, и среднедневной расход нефти в год сократился с 16,73 до 10,24 л, таким образом, в день экономилось около 6,5 л нефти.
В июле и августе в Цюрихе можно получить максимальное количество горячей воды, около 42 л/м2 в день, минимальное — в декабре — около 4 л/м2 в день, в конце февраля — около 20 л/м2 в день, то же в середине октября. Интенсивность солнечного излучения также достигает своего максимума и минимума в эти месяцы (в августе — около 4,4 кВт/м2 в день; в декабре— около 0,8 кВт/м2 в день). Эти цифры предполагают среднюю производительность коллектора для Цюриха 45%.' При температуре поступающей воды +10° С это позволяет получить горячую воду с * = 50° С. Для центральной Англии (52" с. ш.) больше всего горячей воды производится в июне и июле— около 45 л/м2 в день, меньше всего в декабре — около 2 л/м2 в день. Если мы суммируем эти цифры по всей стране, например по Швейцарии, мы увидим, как много импортируемой нефти можно сэкономить, получая горячую воду с помощью солнечной энергии.
В Швейцарии ежедневная потребность в теплой воде на одного человека, составляющая 40 л при t = 60°Ct может легко быть получена летом с 1 м2 поверхности коллектора. Если каждый домовладелец имел бы 1—2 м2 коллекторов на крыше (всего 6 млн. м2), Швейцария могла бы, согласно расчетам Швейцарской ассоциации по солнечной энергии (SSES), сэкономить около 1 млн. т нефти в год. Это составит 10% импорта нефти, или Уз всех потребностей в электричестве.
Согласно расчетам, проведенным во Франции, обычный дом площадью примерно 100 м2 будет потреблять в 2000 г. около
4 тыс. кВт-ч энергии в год (12,5 кВт-ч в день), из них в среднем 2 тыс. кВт-ч в год может производиться за счет солнца. Строительство 1 млн. водяных солнечных нагревательных установок сэкономят стране около 2 млрд. кВт-ч энергии ежегодно. Такие же расчеты (И. Ф. Р. Дикинсом, «Е. М. А. Лимитед»), проведенные в Великобритании, показали, что дом на четырех человек потребляет 150 л горячей воды (/ = 60° С) в день, что составляет 9 кВт-ч в день, т. е. 3300 кВт-ч в год. В юго-восточной Англии можно получить 1000 кВт*ч/м2 солнечной энергии в год. При средней производительности 30% коллектор площадью 8 м2 удовлетворят 2/з всех потребностей в горячей воде в частном доме. Это составит 2000 кВт*ч в год, и, таким образом, как и во Франции, 1 млн. таких установок обеспечит общую ежегодную экономию в 2 млрд. кВт-ч.
На втором симпозиуме Швейцарской ассоциации по солнечной энергии в Лозаннском университете (июнь 1975 г.) были приведены некоторые цифры, демонстрирующие экономию нефти путем использования солнечной энергии. Например, для отеля в Перпиньяне (примерно на 35 номеров) цифры, определяющие эту экономию в течение семи лет, следующие: с мая по август— 200 л нефти на м2; с ноября по февраль — 50 л нефти на м2; с сентября по октябрь и с марта по апрель —70 л нефти на м2.
Это означает ежегодную экономию нефти 320 л на м2 поверхности коллектора. В Перпиньяне 2500 солнечных часов в году, 150 теплых дней (см. прил. 1).
Неудивительно, что в 1951 г. 50 тыс. водяных солнечно-нагревательных установок уже существовало во Флориде. Экономия, электроэнергии исчислялась 150 тыс. кВт-ч каждый день.
Низкие цены на нефть и электричество в 60-е годы сделали эти установки сравнительно менее экономичными, но сегодня несколько миллионов солнечных обогревателей построено во всем мире, 3,5 млн. — только в Японии. Европейские фирмы также проявляют большой интерес к этой новой технологии, так что можно надеяться, что такие установки получат еще более широкое распространение.
Сабади П.Р.
СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА
Тепло, поглощенное солнечным коллектором, должно быть передано в аккумулятор, а оттуда в жилое помещение. Вода и воздух — основные транспортные средства передачи тепла.
Вода.
Вода течет по трубам, отапливая помещение посредством змеевиков под полом или с помощью специальных радиаторов. Главная проблема водяной системы — коррозия, однако эта система используется чаще, чем воздушная, так как термически более эффективна.
Приблизительно от 10 до 40 л воды в час на 1 м2 поверхности коллектора циркулирует между коллектором и аккумулятором.
Воздух.
Главное преимущество воздушной системы состоит в отсутствии проблемы коррозии, но температуры коллекторов должны быть выше, а объемы резервуаров больше, поэтому стоимость системы возрастает. Воздухообмен между коллектором и резервуаром насчитывает приблизительно 0,3 м3/мин на 1 м2. В особом случае, когда отдельного резервуара не требуется (например, в системах Лефевра, Моргана и Тромба — Мишеля), воздушная система может быть экономически выгодной.
Сабади П.Р.
Вода.
Вода течет по трубам, отапливая помещение посредством змеевиков под полом или с помощью специальных радиаторов. Главная проблема водяной системы — коррозия, однако эта система используется чаще, чем воздушная, так как термически более эффективна.
Приблизительно от 10 до 40 л воды в час на 1 м2 поверхности коллектора циркулирует между коллектором и аккумулятором.
Воздух.
Главное преимущество воздушной системы состоит в отсутствии проблемы коррозии, но температуры коллекторов должны быть выше, а объемы резервуаров больше, поэтому стоимость системы возрастает. Воздухообмен между коллектором и резервуаром насчитывает приблизительно 0,3 м3/мин на 1 м2. В особом случае, когда отдельного резервуара не требуется (например, в системах Лефевра, Моргана и Тромба — Мишеля), воздушная система может быть экономически выгодной.
Сабади П.Р.
СИСТЕМА АККУМУЛЯТОРОВ
Одна из основных проблем использования солнечной энергии для центрального отопления состоит в том, что солнечного тепла достаточно в тот сезон, когда меньше всего требуется отопление. Наоборот, отопление требуется тогда, когда дневное солнечное излучение составляет всего несколько часов. Таким образом, чтобы использовать солнечную энергию тогда, когда она действительно нужна, она должна быть не только собрана, но и сохранена. Совершенная система сохранения солнечной энергии должна работать днем и ночью, летом и зимой.
Тепло, полученное от солнца, может быть использовано также и без аккумулятора, если полученная сумма этого тепла достаточна. Если же потребность в тепле больше, чем может дать солнце, то к солнечному теплу можно добавить энергию от других источников, например нефти (масла). «Краткосрочное» хранилище энергии должно сохранять ее от нескольких часов до нескольких дней, но в этом случае потребуется значительное вспомогательное нагревание.
Использование системы солнечного отопления с кратковременным хранением энергии означает, что около 50—70% этой энергии может быть сэкономлено в зависимости от климатических условий и инженерных конструкций. При долгосрочном хранении энергии излишек тепла, полученного за лето, должен сохраниться для зимы. Аккумулятор может удерживать энергию благодаря увеличению накапливаемого тепла, что является следствием повышения температуры теплоносителя. Полезное тепло, будучи результатом особого рода тепла, в свою очередь, изменяет массу и температуру.
В результате утилизации полезного тепла жидкого или твердого содержимого резервуара внутренняя энергия системы изменяется путем увеличения кинетической и потенциальной энергии молекул вещества, заполняющего резервуар. Увеличение внутренней энергии может быть результатом изменения состояния субстанции, например перехода от жидкого состояния к твердому. В этом случае внутренняя энергия аккумулятора изменяется при помощи эквивалента «скрытого» тепла, который соответствует изменению его состояния (например, скрытое тепло плавления или испарения). Таким образом, тепловые аккумуляторы подразделяются на два типа: открытого и скрытого тепла.
В большинстве стран наиболее дешевым средством аккумулирования тепла является вода. Это дает возможность получить самый высокий уровень тепла. Табл. 9 содержит показатели для различных материалов, заполняющих аккумуляторы, выраженные как специальное тепло, измеренное в ккал/(м3-°С).
Наиболее важными критериями качества в выборе соответствующего типа аккумулятора являются следующие показатели:
сколько тепла, когда и какой температуры должен отдавать аккумулятор;
какие тепловые потери имеют место в период хранения;
какая площадь необходима аккумулятору;
в каких конструкциях должен быть решен аккумулятор для того, чтобы его стоимость была минимальна при данной мощности;
каково соотношение между накопленной и вводимой извне энергией.
ТАБЛИЦА 9. ПОКАЗАТЕЛИ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ ДЛЯ АККУМУЛЯТОРОВ
------------------------------- ккал/(м3-oС)
Кирпичная кладка ------------- 320-360
Бетон -------------------------- 450-600
Песок -------------------------- 308
Камень -------------------------- 475-588
Вода ------------------------------ 1000
Для того чтобы решать проблемы хранения энергии наиболее экономичным способом, что в принципе не так сложно, но пока еще очень дорого, во всем мире ведутся исследования. Примером служит хорошо инсолируемый дом в Швейцарии (400 м над уровнем моря), который требует около 15—22 Гкал энергии в год.
Часть этой энергии может быть запасена зимой с помощью тепловых насосов. Таким образом, согласно расчетам П. Кесселринга, в летний период необходимо запасти для зимы только около 6 Гкал солнечной энергии. Однако специалисты до сих пор не достигли соглашения относительно необходимого объема энергетического резервуара. Работа системы, обеспечивающая ее независимость в период плохой погоды, связана с преобладающими климатическими условиями и изменяется от 6 часов до 10 дней. Естественно, труднее и дороже дождаться двух удовлетворительных дней в Дании, чем десяти таких же на Канарских островах. Тепловые системы, основанные на использовании солнца, дают несколько вариантов хранения тепла. Например, можно использовать воду или насыпную гальку (камень); иногда в качестве средства хранения тепла используют окружающий грунт.
Хранение тепла — всегда относительно дорого стоит.
Для решения проблемы предложены системы, где изолированный объем аккумулятора необязателен. Так, в системах Лефевра, Моргана и Тромба — Мишеля сами конструкции здания сохраняют тепло, благодаря чему стоимость всей солнечной установки существенно снижается. В Японии применяются солнечные установки для горячего водоснабжения, в которых коллекторы сочетаются с аккумуляторами.
Резервуары горячей воды.
Резервуары горячей воды наиболее распространены для накопления энергии. Многие специалисты рассматривают горячую воду как лучшую форму хранения тепла, хотя проблемы коррозии представляют некоторые трудности. Для того чтобы избежать тепловых потерь, водяные резервуары должны быть хорошо изолированы. Иногда используются в качестве хранителя тепла вода и галька (камень) в комбинации. 1 м3 чистой воды сохраняет 1000 ккал/°С.
Температура, при которой вода может быть использована для обогрева, начинается от 70—80°С и кончается при использовании тепловых насосов около 4°С. Согласно исследованиям Фишера, хорошо изолированный односемейный дом с объемом резервуара горячей воды в 200 м3 может сохранить достаточно энергии, накопленной за лето, до зимы, имея в виду непрерывный ввод мощностей осенью, зимой и весной. Используемое тепловое содержимое аккумулятора меньше, чем его объем, поскольку между хранением и использованием происходят теплопотери в окружающую среду. Постоянное время потерь зависит от контролируемых геометрических и материальных параметров, в частности следующих;
объема хранилища и площади поверхности слоя;
толщины изоляции;
определенной температуры жидкости, заполняющей аккумулятор;
теплопроводности изоляционных материалов.
Если определенная сумма тепла достаточна на данный отрезок времени, то возможны различные методы его хранения. Можно использовать небольшой, но хорошо изолированный резервуар или большой аккумулятор с более коротким постоянным временем нагрева, т. е. с более высокими теплопотерями. Вопрос состоит в том, какое решение оптимально. Оптимальность решения проблемы определяется стоимостью самого аккумулятора, а также стоимостью его содержания. Наиболее важны следующие факторы:
стоимость 1 м3 конструкций аккумулятора;
стоимость 1 м3 изоляции;
минимальная допустимая температура;
температурные различия между аккумулятором и окружающей средой; продолжительность периода работы аккумулятора;
количество тепла, пригодного для использования по истечении определенного отрезка времени.
Исходя из перечисленных условий параметры аккумулятора могут быть рассчитаны так, чтобы максимально снизить стоимость установки. По возможности тепло, отдаваемое окружающей среде (потери хранения), должно быть полезным для дома, т. е. сохраняться внутри дома. Также полезно наслаивать хранящееся тепло в трех различных температурных уровнях, которые вместе можно использовать для трех различных целей. Например, бытовая вода (t= 50—80°С), вода для отопления дома в перекрытии пола (t = 30—50°С) и вода (t > 30°С) как вводимая в солнечные коллекторы мощность. В конце осени все три камеры должны нагревать вместе воду до 80 °С, чтобы с началом зимнего сезона использовать вместимость аккумулятора целиком для максимального обеспечения теплом.
Первый «солнечный дом», MIT 1, построенный в Кембридже, США, в 1939 г., накапливал солнечную энергию для зимы. Дом имел жилую площадь 46,5 м2 и водяной резервуар объемом 62 м3 .
На рис. 48—51 показаны различные варианты водяных нагревательных резервуаров.
Аккумуляторы с каменным заполнителем.
Такие дешевые материалы, как камень, крупнозернистый гравий или галька (бетонная или кирпичная), являются хорошими аккумуляторами тепла. Однако эти материалы нуждаются в больших емкостях вследствие незначительного температурного диапазона, который пригоден для обычных плоских солнечных коллекторов или который желателен для высокой эффективности. Хотя стоимость материала незначительна, сам контейнер, пространство, требуемое для хранилища, а также загрузочные и разгрузочные устройства достаточно дороги. Передача тепла при этом обычно очень проста. В аккумуляторы с «твердым материалом» воздух попадает прямо через слои камня или через трубопровод в бетонном хранилище и нагревается или охлаждается (см. гл. 5, рис. 28). Загрузка или разгрузка этих аккумуляторов с постоянно изменяющейся температурой требует устройства автоматического контроля, который мог бы регулировать эту постоянно колеблющуюся систему. Эти аккумуляторы уже исследованы теоретически и экспериментально во всем мире (рис. 52—55).
Обладая 30%-ной пористостью при трехслойной загрузке, камень в отличие от воды заполняет лишь треть объема аккумулятора. Часто аккумуляторы с каменным заполнением требуют в четыре раза большего объема, чем водяные резервуары той же мощности. Камни обычно имеют диаметр 5 см и менее. 1 м3 камней может сохранить около 400 ккал-°С.
В 1945 г. Джорж Д. Лёф построил первый «солнечный дом» («Валунный дом» в Колорадо), в котором тепловой запас обеспечивался 8 т гравия объемом около 5 м3.
Химические аккумуляторы.
В 1944 г. проф. Мария Тел-кес из Делаварского университета создала систему солнечного аккумулятора, используя глауберову соль (Na2SO.r ЮН20). При повышении температуры с 27 до 38° С соль способна аккумулировать по крайней мере в восемь раз больше тепла, чем тот же самый объем воды выше той же температурной шкалы. Глауберова соль плавится при температуре 38° С, и поглощенное тепло вновь уходит на ее отвердение.
Стоимость такого аккумулятора выше, чем водяного, но экономия достигается за счет объема и изоляционных материалов. Глауберова соль не изменяется в объеме и не нуждается в обновлении. Дом Пибоди в Довере (США), построенный между 1944 и 1948 г., с аккумуляторами на глауберовой соли, нагреется за 6— 10 дней, аккумулируя солнечную энергию.
В 1961 г. Мария Телкес провела экономические расчеты для среднего дома с 75 600 ккал накопленного тепла. Данные приведены в табл. 10.
Эти результаты, однако, слишком оптимистичны, так как стоимость единицы объема резервуара для скрытого теплового накопления и для скрытой химической аккумуляции тепла берется одинаковой. Существует еще целый ряд трудностей, которые нужно преодолеть в этой системе, и много других химикатов, которые нужно исследовать. Например, «Филипс» в Аахене отобрал для изучения четырехокисный фтористый калий.
Химические аккумуляторы.
В 1944 г. проф. Мария Тел-кес из Делаварского университета создала систему солнечного аккумулятора, используя глауберову соль (Na2SO.r ЮН20). При повышении температуры с 27 до 38° С соль способна аккумулировать по крайней мере в восемь раз больше тепла, чем тот же самый объем воды выше той же температурной шкалы. Глауберова соль плавится при температуре 38° С, и поглощенное тепло вновь уходит на ее отвердение.
Стоимость такого аккумулятора выше, чем водяного, но экономия достигается за счет объема и изоляционных материалов. Глауберова соль не изменяется в объеме и не нуждается в обновлении. Дом Пибоди в Довере (США), построенный между 1944 и 1948 г., с аккумуляторами на глауберовой соли, нагреется за 6— 10 дней, аккумулируя солнечную энергию.
В 1961 г. Мария Телкес провела экономические расчеты для среднего дома с 75 600 ккал накопленного тепла. Данные приведены в табл. 10.
Эти результаты, однако, слишком оптимистичны, так как стоимость единицы объема резервуара для скрытого теплового накопления и для скрытой химической аккумуляции тепла берется одинаковой. Существует еще целый ряд трудностей, которые нужно преодолеть в этой системе, и много других химикатов, которые нужно исследовать. Например, «Филипс» в Аахене отобрал для изучения четырехокисный фтористый калий.
Важнейшими критериями качества в отборе пригодных химикатов служат:
большая величина теплового запаса на единицу объема;
хорошая теплопроводность в загрузочном и разгрузочном состоянии;
небольшие изменения объема;
химическая устойчивость;
низкая коррозийность;
низкая стоимость.
Для аккумуляторов, которые используют скрытое тепло, применяют гидрированные соли, которые растворяются в воде при кристаллизации и могут при этом брать много тепла. Многие из них имеют низкую стоимость и пригодны частично как «добавки» (см. прил. 1). В качестве аккумулирующих скрытое тепло материалов могут быть использованы различные органические соединения, особенно парафин.
Химические аккумуляторы могут поглощать значительно больше энергии на единицу объема при более низкой температурной шкале, чем просто резервуары. Химические аккумуляторы могут накопить тепла в пять раз больше, чем резервуары с горячей водой того же объема. По сравнению с аккумуляторами с каменным наполнением химические аккумуляторы мощнее в девять раз.
Многие специалисты склонны считать, что будущее за химическими аккумуляторами, но какая система аккумуляции солнечного тепла является лучшей, покажет время. На протяжении нескольких лет уже работает много установок, которые помогут решить эту проблему.
Сабади П.Р.
Тепло, полученное от солнца, может быть использовано также и без аккумулятора, если полученная сумма этого тепла достаточна. Если же потребность в тепле больше, чем может дать солнце, то к солнечному теплу можно добавить энергию от других источников, например нефти (масла). «Краткосрочное» хранилище энергии должно сохранять ее от нескольких часов до нескольких дней, но в этом случае потребуется значительное вспомогательное нагревание.
Использование системы солнечного отопления с кратковременным хранением энергии означает, что около 50—70% этой энергии может быть сэкономлено в зависимости от климатических условий и инженерных конструкций. При долгосрочном хранении энергии излишек тепла, полученного за лето, должен сохраниться для зимы. Аккумулятор может удерживать энергию благодаря увеличению накапливаемого тепла, что является следствием повышения температуры теплоносителя. Полезное тепло, будучи результатом особого рода тепла, в свою очередь, изменяет массу и температуру.
В результате утилизации полезного тепла жидкого или твердого содержимого резервуара внутренняя энергия системы изменяется путем увеличения кинетической и потенциальной энергии молекул вещества, заполняющего резервуар. Увеличение внутренней энергии может быть результатом изменения состояния субстанции, например перехода от жидкого состояния к твердому. В этом случае внутренняя энергия аккумулятора изменяется при помощи эквивалента «скрытого» тепла, который соответствует изменению его состояния (например, скрытое тепло плавления или испарения). Таким образом, тепловые аккумуляторы подразделяются на два типа: открытого и скрытого тепла.
В большинстве стран наиболее дешевым средством аккумулирования тепла является вода. Это дает возможность получить самый высокий уровень тепла. Табл. 9 содержит показатели для различных материалов, заполняющих аккумуляторы, выраженные как специальное тепло, измеренное в ккал/(м3-°С).
Наиболее важными критериями качества в выборе соответствующего типа аккумулятора являются следующие показатели:
сколько тепла, когда и какой температуры должен отдавать аккумулятор;
какие тепловые потери имеют место в период хранения;
какая площадь необходима аккумулятору;
в каких конструкциях должен быть решен аккумулятор для того, чтобы его стоимость была минимальна при данной мощности;
каково соотношение между накопленной и вводимой извне энергией.
ТАБЛИЦА 9. ПОКАЗАТЕЛИ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ ДЛЯ АККУМУЛЯТОРОВ
------------------------------- ккал/(м3-oС)
Кирпичная кладка ------------- 320-360
Бетон -------------------------- 450-600
Песок -------------------------- 308
Камень -------------------------- 475-588
Вода ------------------------------ 1000
Для того чтобы решать проблемы хранения энергии наиболее экономичным способом, что в принципе не так сложно, но пока еще очень дорого, во всем мире ведутся исследования. Примером служит хорошо инсолируемый дом в Швейцарии (400 м над уровнем моря), который требует около 15—22 Гкал энергии в год.
Часть этой энергии может быть запасена зимой с помощью тепловых насосов. Таким образом, согласно расчетам П. Кесселринга, в летний период необходимо запасти для зимы только около 6 Гкал солнечной энергии. Однако специалисты до сих пор не достигли соглашения относительно необходимого объема энергетического резервуара. Работа системы, обеспечивающая ее независимость в период плохой погоды, связана с преобладающими климатическими условиями и изменяется от 6 часов до 10 дней. Естественно, труднее и дороже дождаться двух удовлетворительных дней в Дании, чем десяти таких же на Канарских островах. Тепловые системы, основанные на использовании солнца, дают несколько вариантов хранения тепла. Например, можно использовать воду или насыпную гальку (камень); иногда в качестве средства хранения тепла используют окружающий грунт.
Хранение тепла — всегда относительно дорого стоит.
Для решения проблемы предложены системы, где изолированный объем аккумулятора необязателен. Так, в системах Лефевра, Моргана и Тромба — Мишеля сами конструкции здания сохраняют тепло, благодаря чему стоимость всей солнечной установки существенно снижается. В Японии применяются солнечные установки для горячего водоснабжения, в которых коллекторы сочетаются с аккумуляторами.
Резервуары горячей воды.
Резервуары горячей воды наиболее распространены для накопления энергии. Многие специалисты рассматривают горячую воду как лучшую форму хранения тепла, хотя проблемы коррозии представляют некоторые трудности. Для того чтобы избежать тепловых потерь, водяные резервуары должны быть хорошо изолированы. Иногда используются в качестве хранителя тепла вода и галька (камень) в комбинации. 1 м3 чистой воды сохраняет 1000 ккал/°С.
Температура, при которой вода может быть использована для обогрева, начинается от 70—80°С и кончается при использовании тепловых насосов около 4°С. Согласно исследованиям Фишера, хорошо изолированный односемейный дом с объемом резервуара горячей воды в 200 м3 может сохранить достаточно энергии, накопленной за лето, до зимы, имея в виду непрерывный ввод мощностей осенью, зимой и весной. Используемое тепловое содержимое аккумулятора меньше, чем его объем, поскольку между хранением и использованием происходят теплопотери в окружающую среду. Постоянное время потерь зависит от контролируемых геометрических и материальных параметров, в частности следующих;
объема хранилища и площади поверхности слоя;
толщины изоляции;
определенной температуры жидкости, заполняющей аккумулятор;
теплопроводности изоляционных материалов.
Если определенная сумма тепла достаточна на данный отрезок времени, то возможны различные методы его хранения. Можно использовать небольшой, но хорошо изолированный резервуар или большой аккумулятор с более коротким постоянным временем нагрева, т. е. с более высокими теплопотерями. Вопрос состоит в том, какое решение оптимально. Оптимальность решения проблемы определяется стоимостью самого аккумулятора, а также стоимостью его содержания. Наиболее важны следующие факторы:
стоимость 1 м3 конструкций аккумулятора;
стоимость 1 м3 изоляции;
минимальная допустимая температура;
температурные различия между аккумулятором и окружающей средой; продолжительность периода работы аккумулятора;
количество тепла, пригодного для использования по истечении определенного отрезка времени.
Исходя из перечисленных условий параметры аккумулятора могут быть рассчитаны так, чтобы максимально снизить стоимость установки. По возможности тепло, отдаваемое окружающей среде (потери хранения), должно быть полезным для дома, т. е. сохраняться внутри дома. Также полезно наслаивать хранящееся тепло в трех различных температурных уровнях, которые вместе можно использовать для трех различных целей. Например, бытовая вода (t= 50—80°С), вода для отопления дома в перекрытии пола (t = 30—50°С) и вода (t > 30°С) как вводимая в солнечные коллекторы мощность. В конце осени все три камеры должны нагревать вместе воду до 80 °С, чтобы с началом зимнего сезона использовать вместимость аккумулятора целиком для максимального обеспечения теплом.
Первый «солнечный дом», MIT 1, построенный в Кембридже, США, в 1939 г., накапливал солнечную энергию для зимы. Дом имел жилую площадь 46,5 м2 и водяной резервуар объемом 62 м3 .
На рис. 48—51 показаны различные варианты водяных нагревательных резервуаров.
Аккумуляторы с каменным заполнителем.
Такие дешевые материалы, как камень, крупнозернистый гравий или галька (бетонная или кирпичная), являются хорошими аккумуляторами тепла. Однако эти материалы нуждаются в больших емкостях вследствие незначительного температурного диапазона, который пригоден для обычных плоских солнечных коллекторов или который желателен для высокой эффективности. Хотя стоимость материала незначительна, сам контейнер, пространство, требуемое для хранилища, а также загрузочные и разгрузочные устройства достаточно дороги. Передача тепла при этом обычно очень проста. В аккумуляторы с «твердым материалом» воздух попадает прямо через слои камня или через трубопровод в бетонном хранилище и нагревается или охлаждается (см. гл. 5, рис. 28). Загрузка или разгрузка этих аккумуляторов с постоянно изменяющейся температурой требует устройства автоматического контроля, который мог бы регулировать эту постоянно колеблющуюся систему. Эти аккумуляторы уже исследованы теоретически и экспериментально во всем мире (рис. 52—55).
Обладая 30%-ной пористостью при трехслойной загрузке, камень в отличие от воды заполняет лишь треть объема аккумулятора. Часто аккумуляторы с каменным заполнением требуют в четыре раза большего объема, чем водяные резервуары той же мощности. Камни обычно имеют диаметр 5 см и менее. 1 м3 камней может сохранить около 400 ккал-°С.
В 1945 г. Джорж Д. Лёф построил первый «солнечный дом» («Валунный дом» в Колорадо), в котором тепловой запас обеспечивался 8 т гравия объемом около 5 м3.
Химические аккумуляторы.
В 1944 г. проф. Мария Тел-кес из Делаварского университета создала систему солнечного аккумулятора, используя глауберову соль (Na2SO.r ЮН20). При повышении температуры с 27 до 38° С соль способна аккумулировать по крайней мере в восемь раз больше тепла, чем тот же самый объем воды выше той же температурной шкалы. Глауберова соль плавится при температуре 38° С, и поглощенное тепло вновь уходит на ее отвердение.
Стоимость такого аккумулятора выше, чем водяного, но экономия достигается за счет объема и изоляционных материалов. Глауберова соль не изменяется в объеме и не нуждается в обновлении. Дом Пибоди в Довере (США), построенный между 1944 и 1948 г., с аккумуляторами на глауберовой соли, нагреется за 6— 10 дней, аккумулируя солнечную энергию.
В 1961 г. Мария Телкес провела экономические расчеты для среднего дома с 75 600 ккал накопленного тепла. Данные приведены в табл. 10.
Эти результаты, однако, слишком оптимистичны, так как стоимость единицы объема резервуара для скрытого теплового накопления и для скрытой химической аккумуляции тепла берется одинаковой. Существует еще целый ряд трудностей, которые нужно преодолеть в этой системе, и много других химикатов, которые нужно исследовать. Например, «Филипс» в Аахене отобрал для изучения четырехокисный фтористый калий.
Химические аккумуляторы.
В 1944 г. проф. Мария Тел-кес из Делаварского университета создала систему солнечного аккумулятора, используя глауберову соль (Na2SO.r ЮН20). При повышении температуры с 27 до 38° С соль способна аккумулировать по крайней мере в восемь раз больше тепла, чем тот же самый объем воды выше той же температурной шкалы. Глауберова соль плавится при температуре 38° С, и поглощенное тепло вновь уходит на ее отвердение.
Стоимость такого аккумулятора выше, чем водяного, но экономия достигается за счет объема и изоляционных материалов. Глауберова соль не изменяется в объеме и не нуждается в обновлении. Дом Пибоди в Довере (США), построенный между 1944 и 1948 г., с аккумуляторами на глауберовой соли, нагреется за 6— 10 дней, аккумулируя солнечную энергию.
В 1961 г. Мария Телкес провела экономические расчеты для среднего дома с 75 600 ккал накопленного тепла. Данные приведены в табл. 10.
Эти результаты, однако, слишком оптимистичны, так как стоимость единицы объема резервуара для скрытого теплового накопления и для скрытой химической аккумуляции тепла берется одинаковой. Существует еще целый ряд трудностей, которые нужно преодолеть в этой системе, и много других химикатов, которые нужно исследовать. Например, «Филипс» в Аахене отобрал для изучения четырехокисный фтористый калий.
Важнейшими критериями качества в отборе пригодных химикатов служат:
большая величина теплового запаса на единицу объема;
хорошая теплопроводность в загрузочном и разгрузочном состоянии;
небольшие изменения объема;
химическая устойчивость;
низкая коррозийность;
низкая стоимость.
Для аккумуляторов, которые используют скрытое тепло, применяют гидрированные соли, которые растворяются в воде при кристаллизации и могут при этом брать много тепла. Многие из них имеют низкую стоимость и пригодны частично как «добавки» (см. прил. 1). В качестве аккумулирующих скрытое тепло материалов могут быть использованы различные органические соединения, особенно парафин.
Химические аккумуляторы могут поглощать значительно больше энергии на единицу объема при более низкой температурной шкале, чем просто резервуары. Химические аккумуляторы могут накопить тепла в пять раз больше, чем резервуары с горячей водой того же объема. По сравнению с аккумуляторами с каменным наполнением химические аккумуляторы мощнее в девять раз.
Многие специалисты склонны считать, что будущее за химическими аккумуляторами, но какая система аккумуляции солнечного тепла является лучшей, покажет время. На протяжении нескольких лет уже работает много установок, которые помогут решить эту проблему.
Сабади П.Р.
пятница, 27 июня 2008 г.
ДОМ С СОЛНЕЧНЫМ ОТОПЛЕНИЕМ В МИЛТОН КЕЙНЕСЕ (АНГЛИЯ)
Реклама:
ГАЛПРОЕКТ: ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЖИЛЫХ ДОМОВ , ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ , ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ, МАГАЗИНОВ, ЗАГОРОДНЫХ ДОМОВ , КОТТЕДЖНЫХ ПОСЕЛКОВ, ПЕРЕПЛАНИРОВКА КВАРТИР, ИНТЕРЬЕРЫ
Проектировщики — С. Соколау и Научно-исследовательская строительная группа политехнического центра Лондона.
Построен в 1974 г.
Этот «солнечный дом» построен местными властями в новом городе Милтон Кейнесе, Букингемшир. Он предназначен для исследования экономичности применения таких домов в массовом строительстве. Дом построен в деревянных конструкциях с легким заполнением, со стеклянными солнечными панелями и алюминиевыми плитами коллектора. Хотя изоляция здания несовершенна, тепловая потребность его минимальна. Солнечная система запроектирована так, чтобы обеспечить большую часть энергии» требуемую для горячего водоснабжения и отопления. Остающаяся часть требуемой энергии обеспечивается обычными средствами.
Плоская плита солнечного коллектора была выбрана для того, чтобы собирать рассеянную радиацию, которая составляет приблизительно 50% всей радиации в этой местности. Дом имеет наклонную под 30° крышу, уклон которой приближается к оптимальному (34°), дающему максимальное накопление энергии.
Коллектор, составляя единое целое с конструкцией крыши, вызвал несколько конструктивных изменений. Для того чтобы понизить рабочую температуру плиты коллектора, была избрана система, при которой вода из резервуара поступает непосредственно через обе плиты коллектора в обогревательные приборы. Здесь применен вентиляторный конвектор с увеличенной ребристой поверхностью, который обеспечивает требуемую тепловую мощность для воды температурой приблизительно 40°С. Вода t=25°С может быть возвращена в резервуар через вентиляционный змеевик, пока выделяемый воздух не достигнет температуры.
Возвращение воды с t = 25° С в резервуар помогает понизить рабочую температуру плиты коллектора, чем увеличивается его эффективность. Вместо обычного теплообменника используется система небольших резервуаров.
Циркуляция воды продолжается приблизительно 8 ч, что должно компенсироваться уменьшением площади теплообменника. Вода, поступающая в бак с бытовой горячей водой, нагревается обычным кипятильником. Этой системе отдано предпочтение перед системой, использующей бак с обратной циркуляцией воды, обычно применяемой в жилых домах для того, чтобы контролировать его водоснабжение.
В принятой системе используется водяной резервуар общим объемом 4,5 м3 (4500 л) со 100-миллиметровыми стенами, имеющими со всех сторон стекловолокнистую изоляцию. Это эквивалентно 120 л воды на 1 м2 площади коллектора. Этот объем воды воспринимает запас тепла, достаточный для отопления одного дня во время зимнего солнцестояния или двух дней весной или осенью. Если пространство позволяет, цилиндрические баки могут быть использованы в половину своих емкостей.
Сабади П.Р.
ГАЛПРОЕКТ: ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЖИЛЫХ ДОМОВ , ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ , ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ, МАГАЗИНОВ, ЗАГОРОДНЫХ ДОМОВ , КОТТЕДЖНЫХ ПОСЕЛКОВ, ПЕРЕПЛАНИРОВКА КВАРТИР, ИНТЕРЬЕРЫ
Проектировщики — С. Соколау и Научно-исследовательская строительная группа политехнического центра Лондона.
Построен в 1974 г.
Этот «солнечный дом» построен местными властями в новом городе Милтон Кейнесе, Букингемшир. Он предназначен для исследования экономичности применения таких домов в массовом строительстве. Дом построен в деревянных конструкциях с легким заполнением, со стеклянными солнечными панелями и алюминиевыми плитами коллектора. Хотя изоляция здания несовершенна, тепловая потребность его минимальна. Солнечная система запроектирована так, чтобы обеспечить большую часть энергии» требуемую для горячего водоснабжения и отопления. Остающаяся часть требуемой энергии обеспечивается обычными средствами.
Плоская плита солнечного коллектора была выбрана для того, чтобы собирать рассеянную радиацию, которая составляет приблизительно 50% всей радиации в этой местности. Дом имеет наклонную под 30° крышу, уклон которой приближается к оптимальному (34°), дающему максимальное накопление энергии.
Коллектор, составляя единое целое с конструкцией крыши, вызвал несколько конструктивных изменений. Для того чтобы понизить рабочую температуру плиты коллектора, была избрана система, при которой вода из резервуара поступает непосредственно через обе плиты коллектора в обогревательные приборы. Здесь применен вентиляторный конвектор с увеличенной ребристой поверхностью, который обеспечивает требуемую тепловую мощность для воды температурой приблизительно 40°С. Вода t=25°С может быть возвращена в резервуар через вентиляционный змеевик, пока выделяемый воздух не достигнет температуры.
Возвращение воды с t = 25° С в резервуар помогает понизить рабочую температуру плиты коллектора, чем увеличивается его эффективность. Вместо обычного теплообменника используется система небольших резервуаров.
Циркуляция воды продолжается приблизительно 8 ч, что должно компенсироваться уменьшением площади теплообменника. Вода, поступающая в бак с бытовой горячей водой, нагревается обычным кипятильником. Этой системе отдано предпочтение перед системой, использующей бак с обратной циркуляцией воды, обычно применяемой в жилых домах для того, чтобы контролировать его водоснабжение.
В принятой системе используется водяной резервуар общим объемом 4,5 м3 (4500 л) со 100-миллиметровыми стенами, имеющими со всех сторон стекловолокнистую изоляцию. Это эквивалентно 120 л воды на 1 м2 площади коллектора. Этот объем воды воспринимает запас тепла, достаточный для отопления одного дня во время зимнего солнцестояния или двух дней весной или осенью. Если пространство позволяет, цилиндрические баки могут быть использованы в половину своих емкостей.
Сабади П.Р.
ФАБРИКА С СОЛНЕЧНЫМ ОТОПЛЕНИЕМ, ЦЮРИХ (ШВЕЙЦАРИЯ)
Архит. Р. П. Сабади.
Инженеры Б. Уинклер, X. Томанн, Р. Аэрни. Д. Лео.
Строительство завершено в 1978 г.
Здание (130 мх23 мХ25 м) представляет одно из наибольших сооружений в Европе, получающих энергетическое снабжение с помощью солнечной энергии. Оно вытянуто с востока на запад, в результате чего максимальное число окон обращено на юг (рис. 69—71). Такая ориентация обеспечивает оптимальную инсоляцию здания через южные окна зимой и в то же время защищает помещение от летнего перегрева с помощью выступающих конструкций.
Солнечные коллекторы могут также использоваться как наклонные оконные рамы, как плоскость крыши или балконы. В то же время они создают тень, необходимую летом, и поглощают максимум радиации зимой благодаря оптимальному наклону в 60°. Солнечная энергия от коллекторов и южных окон составляет приблизительно 260 тыс. Мкал в год и обеспечивает часть потребностей здания для отопления и горячего водоснабжения для умывальных комнат служащих. Для того чтобы получить высокую продуктивность коллектора, была выбрана тепловая система с низкой рабочей температурой. Принятие этих мер позволяет использовать часть излишков летней энергии, в результате чего утилизируется около 80% общей радиации.
Аккумулятор находится вне конструкций здания, баки с 75 тыс. л воды расположены на плоскости крыши. Для того чтобы уменьшить энергопотребности здания до минимума, вместо обычной плоской крыши устроена крыша со скатами, что дает возможность использовать чердачное помещение (где можно разместить архивы) как хорошо изолированную тепловую буферную зону, а также для установки аккумулятора. Окна имеют хорошо изолированное остекление и жалюзи, стены имеют величину К=0,4, дающую возможность как можно дольше сохранять поглощенное солнечное тепло. Архитектурное решение здания позволяет впоследствии увеличить площадь солнечного коллектора, когда его стоимость снизится, а потребность в дешевой энергии возрастет.
Солнечная тепловая установка, стоимость которой составляет 1,5% стоимости здания, обеспечивает ежегодно 100% требуемой горячей воды и значительную часть требуемой энергии на отопление помещений, посредством чего по крайней мере 230 тыс. кВт-ч энергии может быть сэкономлено ежегодно.
Инженеры Б. Уинклер, X. Томанн, Р. Аэрни. Д. Лео.
Строительство завершено в 1978 г.
Здание (130 мх23 мХ25 м) представляет одно из наибольших сооружений в Европе, получающих энергетическое снабжение с помощью солнечной энергии. Оно вытянуто с востока на запад, в результате чего максимальное число окон обращено на юг (рис. 69—71). Такая ориентация обеспечивает оптимальную инсоляцию здания через южные окна зимой и в то же время защищает помещение от летнего перегрева с помощью выступающих конструкций.
Солнечные коллекторы могут также использоваться как наклонные оконные рамы, как плоскость крыши или балконы. В то же время они создают тень, необходимую летом, и поглощают максимум радиации зимой благодаря оптимальному наклону в 60°. Солнечная энергия от коллекторов и южных окон составляет приблизительно 260 тыс. Мкал в год и обеспечивает часть потребностей здания для отопления и горячего водоснабжения для умывальных комнат служащих. Для того чтобы получить высокую продуктивность коллектора, была выбрана тепловая система с низкой рабочей температурой. Принятие этих мер позволяет использовать часть излишков летней энергии, в результате чего утилизируется около 80% общей радиации.
Аккумулятор находится вне конструкций здания, баки с 75 тыс. л воды расположены на плоскости крыши. Для того чтобы уменьшить энергопотребности здания до минимума, вместо обычной плоской крыши устроена крыша со скатами, что дает возможность использовать чердачное помещение (где можно разместить архивы) как хорошо изолированную тепловую буферную зону, а также для установки аккумулятора. Окна имеют хорошо изолированное остекление и жалюзи, стены имеют величину К=0,4, дающую возможность как можно дольше сохранять поглощенное солнечное тепло. Архитектурное решение здания позволяет впоследствии увеличить площадь солнечного коллектора, когда его стоимость снизится, а потребность в дешевой энергии возрастет.
Солнечная тепловая установка, стоимость которой составляет 1,5% стоимости здания, обеспечивает ежегодно 100% требуемой горячей воды и значительную часть требуемой энергии на отопление помещений, посредством чего по крайней мере 230 тыс. кВт-ч энергии может быть сэкономлено ежегодно.
Подписаться на:
Сообщения (Atom)
Сообщения
