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.