Отопление и горячее водоснабжение зданий

Использование солнечной энергии для отопления и горячего водоснабжения школ, фабрик, больниц, жилых домов, для бытовых нужд и т. д. является одним из наиболее привлекательных способов ее применения. Системы горячего водоснабжения на основе плоского солнечного коллектора уже сейчас получили широкое распространение в Израиле и Японии, а на юге США и даже в Европе действуют довольно большие экспериментальные установки для отопления домов и нагрева воды в плавательных бассейнах. Рис. 25 поможет нам понять принцип действия солнечного водонагревателя. Находясь в контакте с поглотителем коллектора, вода нагревается и при помощи насоса или естественной циркуляции отводится от него. Затем жидкость поступает в хранилище, откуда ее потребляют по мере надобности, или в теплообменник, через который энергия передается теплоносителю. Подобное устройство напоминает системы бытового горячего водоснабжения с непосредственным или косвенным подогревом. Конструкция этих устройств может быть весьма сложной, но чтобы оценить их экономичность, мы рассмотрим простейшее из них.

Рис. 25. Простой солнечный водонагреватель с естественной циркуляцией

В устройстве, изображенном на рис. 25, основным теплообменником является поглотитель. Жидкость здесь либо непосредственно омывает тыльную часть пластины поглотителя, либо проходит через систему труб, являющихся по существу частью этой пластины. В воздухонагревательных коллекторах пластины поглотителей имеют множество отверстий, при прохождении через которые воздух нагревается. В условиях хорошего теплообмена между окружающей средой и пластинами (это характерно для нагревания жидкости) температуры поглотителя и жидкости одинаковы. Поскольку жидкость нагревается при прохождении через коллектор, очевидно, что на входе жидкости поглотитель холоднее, нежели на выходе. Перепад температуры зависит как от удельной теплоемкости жидкости, так и ее скорости. При естественной конвекции вследствие низкой скорости циркуляции жидкости разность температур составляет несколько десятков градусов. В условиях искусственной перекачки жидкости с помощью насоса скорость ее протекания и скорость теплообмена с коллектором увеличиваются. Поэтому при анализе подобных водонагревательных систем в большинстве случаев приходится учитывать изменение температуры вдоль пластины поглотителя. Однако при упрощенном рассмотрении принципов действия такого устройства мы будем полагать, что вся поверхность поглотителя имеет одинаковую температуру, при которой происходит теплообмен между ним и жидкостью. Результаты такого рассмотрения оказываются вполне применимыми к оценке систем, в которых разность температур жидкости на входе и выходе невелика. Конечно, и здесь, поскольку жидкость получает энергию, какой-то перепад температур существует.

Чтобы определить, какое количество тепла жидкость получает от коллектора при различных температурах, воспользуемся методом расчета, приведенным в гл. 4. Как и прежде, рассмотрим плоский коллектор с однослойным покрытием и поглотителем, поглощательная способность которого для солнечного излучения равна 0,9. Напомним, что нейтральным мы называем поглотитель, имеющий при равновесной температуре коэффициент излучения, близкий к 1,0, тогда как у селективного поглотителя он составляет примерно 0,1. В обоих случаях будем считать, что стеклянное или пленочное покрытие коллектора непроницаемо для длинноволнового излучения, а его характеристики пропускания солнечной радиации близки к рассмотренным в гл. 4.

Итак, если жидкость находится в тепловом контакте с поглотителем при температуре T, она получает от него энергию при мощности P_п. В условиях равновесия уравнение энергетического баланса для поглотителя принимает вид (см. 4.19)

где P - часть солнечной радиации, прошедшая через покрытие коллектора.

Для данной температуры поглотителя мощность P₁, теряемая вследствие теплообмена с покрытием (уравнение 4.18), постоянна. Поэтому полезная мощность P_п будет тем больше, чем больше величина P₁, и наоборот, при снижении интенсивности солнечной радиации значение P_п уменьшается. При некотором значении P = P₀ P_п = 0, тогда

Из уравнений (5.1) и (5.2) нетрудно определить P₁ и пороговую величину P₀, начиная с которой при данной температуре поглотителя можно получать некоторую полезную мощность P_п:

или

Если для соответствующих областей исходных значений P₀ рассчитывать равновесную температуру поглотителя по уравнениям (4.18) и (4.20), можно получить зависимости, показанные на рис. 26.

Рис. 26. Характеристические кривые простых плоских коллекторов

С помощью этих кривых на основе уравнения (5.3) можно определить мощность теплопередачи P_п от поглотителя к жидкости при любой температуре и для любых значений интенсивности радиации P. Некоторые результаты подобных расчетов представлены на рис. 27. Как видно из рис. 27, полученные зависимости носят линейный характер, и при всех значениях входной мощности P и равновесной температуры T их можно выразить соотношениями:

и

для нейтрального и селективного поглотителей соответственно (если мощность измеряется в ^Вт/_м², а температура - в градусах Цельсия).

Рис. 27. Зависимость мощности солнечного водонагревателя от температуры

Показывая преимущества селективного поглотителя, рис. 27 одновременно иллюстрирует важнейшую особенность систем получения тепловой энергии на основе плоского коллектора. Эта особенность состоит в следующем: с повышением температуры теплоносителя доля полезной мощности в общей мощности падающего излучения должна уменьшаться. Это неизбежно, поскольку увеличиваются потери тепла в окружающую среду, в связи с этим возникает ряд вопросов, связанных с оптимизацией условий работы плоских коллекторов.

Теперь, когда мы можем определить выходную мощность коллектора при любой интенсивности солнечного излучения и для любой равновесной температуры, посмотрим, как изменяется эта мощность в течение дня с изменением интенсивности солнечной радиации. В принципе любой коллектор с помощью соответствующего механизма можно было бы все время ориентировать на солнце, но это весьма удорожает систему и обычно экономически не оправдано. Поэтому в настоящее время используются преимущественно неподвижные коллекторы. Далее мы рассмотрим возможности системы на основе неподвижного коллектора.

Прежде всего необходимо выбрать наилучшую ориентацию коллектора. В гл. 2 мы говорили о том, как рассчитать кажущуюся траекторию солнца для любого времени года на любой широте. Отметим, что годовое изменение высоты солнца, обусловленное сезонным изменением склонения, составляет около 47° (для полудня). Следовательно, при оценке параметров коллектора особое внимание следует уделить зимнему периоду времени, когда к системе предъявляются наиболее высокие требования, а ее эффективность оказывается минимальной.

В середине зимы склонение составляет - 23,5°, однако самое холодное время года наступает обычно позже, когда склонение несколько меньше. Поскольку обладающие высокой теплоемкостью суша и Мировой океан выполняют роль некоего аккумулятора тепловой энергии, то в большинстве районов земного шара самое холодное время наступает спустя 4-6 недель после зимнего солнцестояния (в конце января или начале февраля - для Северного полушария). Поэтому в Северном полушарии неподвижный коллектор ориентируют на юг с таким наклоном, при котором нормаль к его поверхности указывает наивысшее полуденное положение солнца в середине зимы. Тогда для поверхности коллектора получим ξ = 0 (см. рис. 10), а ψ превышает величину (90° - φ - 23,5°) примерно на 10°. Интересующий нас угол наклона поверхности коллектора к горизонтали равен (90° - ψ). Для центральной Англии этот угол составляет около 65,5°. На таких широтах для получения оптимального выхода в зимнее время плоский коллектор следует располагать вертикально. Если солнечные лучи падают на поверхность почти вертикально, изменение наклона плоскости коллектора слабо влияет на выходные параметры, поскольку эффективная интенсивность солнечного излучения пропорциональна cos t (см. гл. 3), а последний очень мало меняется при приближении угла i к 0, По этой же причине для тропиков более целесообразно горизонтальное расположение коллектора, хотя оптимальным является угол, близкий к 30°.

В гл. 2 получены значения общей интенсивности солнечного излучения для различных широт. Там же приведен график изменения интенсивности солнечного излучения в течение дня для безоблачной атмосферы на широте центральной Англии (52°). Для примера подсчитаем, сколько энергии можно получить от простого коллектора на такой малоперспективной для подобного преобразования широте. Эффективное значение интенсивности солнечного излучения P для любого времени дня и сезона мы определяем с помощью рассмотренного в гл. 3 метода, учитывая, что интенсивность излучения уменьшается как при наклоне поверхности, так и вследствие потерь при прохождение покрытия коллектора. Результаты расчетов представлены на рис. 28. На основе рис. 27 и рис. 28 нетрудно определить полную энергию, получаемую от плоского коллектора при данной температуре. Как оказывается, даже в середине зимы селективный коллектор площадью 5 м² при температуре 40° С обеспечивает ежедневно до 30 кВт*ч энергии. Однако эти результаты соответствуют безоблачной атмосфере, которая в Англии бывает крайне редко. В дальнейшем мы еще коснемся вопроса экономической рентабельности подобных устройств, здесь же на нескольких примерах мы постараемся показать, насколько полезными могут быть солнечные нагреватели для горячего водоснабжения зданий и плавательных бассейнов в Англии.

Рис. 28. Суточные изменения выходной мощности солнечного водонагревателя (зимнее солнцестояние, φ = 52° с. ш.)

В гл. 2 мы говорили, что наибольшего эффекта в освоении солнечной энергии человек может добиться в пустынях тропического пояса. Поэтому для сравнения оценим выходные параметры плоского коллектора применительно к условиям таких районов. Расчеты показывают, что параметры плоского коллектора, установленного на широте 23,5° с. ш. с наклоном около 37° к горизонтали (ψ = 53°), практически не меняются на протяжении года. На рис. 29 представлены результаты расчетов для селективного и нейтрального коллекторов, Оказывается, с каждого квадратного метра поверхности коллектора при температурах, наиболее подходящих для водонагревательных систем школ, больниц и т. п., можно ежегодно получать около 1000 кВт*ч энергии. Ежегодная потребность в энергии для горячего водоснабжения больших больниц в странах тропического пояса в настоящее время составляет ориентировочно около 500 МВт*ч. Таким образом, ее можно было бы относительно дешево удовлетворить с помощью плоского коллектора общей площадью 500 м². Коллектор такого размера удобно разместить на крыше больницы, тогда для него не нужно будет отводить специального места на земле; кроме того, подобное сооружение обеспечит тень вокруг здания больницы.

Рис. 29. Зависимость выходной мощности солнечного водонагревателя от температуры в любое время года (φ = 23,5° с. ш.)