Солнечные воздушные или водяные отопительные системы зданий и сооружений

Различают два основных типа солнечных воздушных или водяных отопительных систем (СВОС) зданий и сооружений: пассивные и активные. В пассивных СВОС теплота от солнечного излучения аккумулируется самими конструкциями зданий и сооружений, а движение воздуха как теплоносителя осуществляется в результате его конвекций без применения принудительной вентиляции воздуха. В активных же СВОС помимо усложнения самой конструкции появляются насосы или вентиляторы для принудительной подачи теплоносителя — воздуха во внутренние помещения и систему автоматического контроля и управления всей СВОС. Для наилучшего использования преимуществ двух основных СВОС возможна и реализация энергетического комплекса, включающего в себя элементы общих систем.

Подобная СВОС может работать только в специально спроектированных зданиях и сооружениях, имеющих минимум тепловых потерь, а также использующих высокоэкономичные бытовые энергопотребляющие приборы. В противном случае эффективность подобных СВОС будет невелика. Указанное деление СВОС на пассивные и активные весьма условно, так как и в пассивных СВОС могут применяться вентиляторы для принудительной циркуляции воздуха. Эти термины (пассивные и активные) более характеризуют то, что энергия солнечного излучения в пассивных СВОС аккумулируется непосредственно в тепловых помещениях, а в активных энергия солнечного излучения преобразуется в тепло вне отапливаемых помещений в солнечных коллекторах.

Системы воздушного или водяного отопления обеспечивают температуры соответственно до 30? С и 30 — 90? С. В целом же низкотемпературные системы с аккумуляторами тепла обычно работают в диапазоне от 30 до 100? С.

Пассивные СВОС (ПСВОС) имеют простую технологическую конструкцию, но могут обеспечить до 60% всей отопительной нагрузки потребителя. Выделяют два основных типа ПСВОС. Системы с прямым (открытым) использованием солнечного излучения, поступающего через остекленные поверхности внутрь сооружения, конструкции которого являются непосредственными приемниками солнечного излучения и аккумуляторами теплоты. Эти системы наиболее просты, но имеют сильную зависимость теплового режима от прихода солнечного излучения во времени.

В закрытых ПСВОС поток солнечного излучения нагревает ту или иную конструкцию, служащую одновременно мощным аккумулятором теплоты, которая накапливается в них в периоды повышенного прихода солнечного излучения, и затем постепенно расходуется во времени, обеспечивая требуемый уровень обогрева сооружения. Например, ПСВОС, предложенная в 1961 г. А. Е. Морганом: днем солнечное излучение нагревает массивную стену сооружения, а в периоды его отсутствия аккумулированное тепло нагревает воздух во внутренних помещениях. Значительно более эффективными оказались предложения в виде теплонакопительной стены Tromble-Michel с тепловой циркуляцией воздуха вокруг неё, в том числе и принудительной. Для лучшего использования дневного солнечного излучения в ПСВОС эффективно применение различных специальных аккумуляторов тепла с разным циклом времени цикла аккумуляции (вплоть до сезонного перераспределения солнечного излучения во времени).

Используемые в ПСВОС аккумуляторы по виду физико-химичеких процессов, протекающих в них, можно разделить на три вида.

1. Аккумуляторы емкостного типа, использующие естественную теплоёмкость материала-аккумулятора без изменения его физического или агрегатного состояния: вода, природный камень (гравий, галька, водные растворы солей и т. п.). Этот способ наиболее прост технологически и наиболее распространен в ПСВОС. Для водонагревательных энергоустановок и жидкостных систем отопления лучшие показатели имеет вода, а для воздушных отопительных систем — галька, гравий и т. п. Однако последние требуют значительно большего объема и площади по сравнению с водяным аккумулятором (соответственно в 31,6 раза).

Количество теплоты кДж, аккумулируемое в подобных системах, можно найти по формуле:

=m, (6).

где m — масса теплового аккумулятора кг; - удельная изобарная теплоемкость вещества-аккумулятора, кДж/(кг· ?С); и — среднее значение конечной и начальной температуры аккумулятора, К.

• 2. Аккумуляторы на основе применения фазового перехода вещества (жидкое — твердое), в которых используется теплота плавления (твердения) вещества.
• 3. Аккумуляторы энергии, основанные на выделении — поглощении тепла при обратимых химических и фотохимических реакциях.

Пассивные СВОС весьма просты в эксплуатации. Однако, учитывая сильную зависимость их эффективности от солнечного излучения во времени, в них должны присутствовать некоторые простые устройства для регулирования поступления солнечного излучения в сооружение во времени. Для летних условий наличие обычных регулирующих заслонок в системах циркуляций воздуха и т. п.

Пассивные СВОС эффективны только при реализации сооружений с соблюдением в них условий по максимальному использованию солнечного излучения и энергосбережению.

В том числе: ориентация двухскатной крыши и теплопоглощающих стен по широте (вдоль оси восток-запад); 50 — 70% всех окон необходимо расположить на южной стене при их двухслойном исполнении (все прочие — трехслойные); строительные конструкции должны иметь современную теплоизоляцию и минимум потерь за счет наружного воздуха; жилые комнаты должны быть с южной стороны здания, все прочие — с северной; должна существовать определенная простая система регуляции поступления солнечного излучения здание и т. п. КПД подобной ПСВОС для средних условий России равен 25 — 30%, юга — 60%.

Для ПСВОС Tromble-Michel с водяной системой аккумуляции тепла солнечного излучения КПД достигает 35%. Если же с южной стороны здания разместить солярий или теплицу, то ПСВОС подобного здания достигает 60 — 75%, но с одновременным уменьшением количества тепла, поступающего непосредственно в жилые помещения (10 — 30% тепла солнечного излучения, поступающего на теплицу или солярий).

Активные СВОС (АСВОС) значительно сложнее по своему техническому циклу. Активные СВОС могут быть реализованы на основе воздушного или водяного (жидкостного) теплоносителя. В качестве жидкостного теплоносителя используются: вода; 40 — 50% раствор пропиленили этиленгликоля, органические теплоносители и т. п. При этом возникает проблема защиты подобной АСВОС от замерзания зимой и коррозии, что полностью отсутствует в воздушных системах, которые, однако, менее эффективны, сем жидкостные.