close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

363.Щукина Т.В.Энергообеспечение сооружений

код для вставкиСкачать
Федеральное агентство по образованию
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
Т.В. Щукина
Энергообеспечение сооружений посредством утилизации
солнечного излучения
Учебное пособие
Воронеж 2015
2
УДК 697
Щукина, Т.В. Энергообеспечение сооружений посредством утилизации
солнечного излучения [Текст]: учеб. пособие/ Т.В. Щукина; Воронеж. гос.
арх.-строит. ун-т.- Воронеж, 2015. – 120 с.
В учебном пособии приводятся сведения по ресурсам солнечной радиации
на территории РФ, дается их оценка с точки зрения возможности утилизации
излучения в различных климатических условиях. Всесторонне анализируется
как зарубежный, так и отечественный опыт такой повсеместно доступной возобновляемой энергии. Рассматриваются наиболее распространенные способы
улавливания и преобразования солнечного излучения с прогнозом их дальнейшего развития. Предлагаемые методики расчета и подбора оборудования позволяют проводить проектирование установок солнечного тепло- и холодоснабжения с учетом климатических и эксплуатационных особенностей регионов.
Учебное пособие разработано в соответствии с магистерской программой
обучения «Энергосберегающие технологии с использованием нетрадиционных
источников энергии» и предназначено для студентов специальности 270109
«Теплогазоснабжение и вентиляция» направления подготовки дипломированных специалистов 270100 «Строительство». Оно может быть использовано
специалистами проектных и монтажных организаций, занимающимися вопросами альтернативного энергообеспечения.
Ил. 95. Табл. 74. Библиогр.: 28 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского
государственного архитектурно-строительного университета
Научный редактор – И.И. Полосин, д.т.н., проф.
Рецензенты:
© Щукина Т.В.
© ВГАСУ, 2015
3
Введение
Уже в течение ближайших 20-30 лет возобновляемые источники энергии
должны внести существенный вклад в мировой энергетический баланс, обеспечивая замещение истощающихся запасов органического топлива и экологическое оздоровление окружающей среды. Солнечная энергия рассматривается сегодня как наиболее технологически доступный и экономически целесообразный вид возобновляемой энергии, использование которой для теплоснабжения
сооружений было бы неверно ограничивать районами только с теплым климатом и достаточным числом безоблачных дней и значительным поступлением
солнечной радиации.
Вопросами использования солнечной энергии в пассивных и активных
системах солнечного теплоснабжения занимается целый ряд научных, проектных и производственных коллективов России: Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН, комитет Российского союза научных и
инженерных общественных организаций по проблемам использования возобновляемых источников энергии, Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, акционерное общество «Новые и
возобновляемые источники энергии», отделение нетрадиционных источников
энергии в ОАО Энергетическом институте им. Г.М. Кржижановского и другие
научно-производственные объединения. Достигнут уже достаточно высокий
уровень технических решений, направленных на утилизацию солнечного излучения, но наряду с этим, эффективность его улавливания и преобразования остается на относительно низком уровне, что мешает продвижению возобновляемого источника в замещении нагрузок систем жизнеобеспечения зданий.
В России традиционно широко применяется солнечная энергия в теплицах,
парниках и лимонариях, сельскохозяйственных производственных помещениях. Улавливаемая и концентрируемая теплота излучения используется в технологии выращивания сельскохозяйственных культур, для сушки сельскохозяйственной продукции, опреснения воды, обеспечения горячей водой животноводческих помещений. Научный и практический интерес представляет возможность использования солнечной энергии в системах горячего водоснабжения,
отопления и электроснабжения зданий. Несмотря на разнообразные способы
применения солнечной энергии, нетрадиционное теплоснабжение объектов
различного назначения осуществляется крайне редко. Ограниченность использования солнечной энергии на территории РФ только южными областями является препятствием для широкого распространения гелиоустановок в центральные и северные регионы. К основным причинам такого положения утилизирующих систем относятся отсутствие высокоэффективных и высокопроизводительных конструкций основного оборудования для нестабильных погодных условий и типовых решений для различных климатических зон РФ.
Сведения, содержащиеся в учебном пособии, и предлагаемые методы расчетов, направленные на выполнение рационального подбора оборудования гелиоустановок с максимально возможным энергозамещением традиционных источников, позволят выполнять проектирование на высоком уровне, что в дальнейшем будет способствовать их активному распространению.
4
Глава 1. Распределение ресурсов солнечной энергии
по территории России
Мощность потока солнечной энергии у верхней границы атмосферы составляет 1,7·1014 кВт, а на поверхности Земли – 1,2·1014 кВт [21]. Общее годовое количество поступающей на Землю солнечной энергии составляет 1,05·1018
кВт·ч, в том числе на поверхность суши приходится 2·1017 кВт·ч [21]. Без последствий для экологического состояния окружающей среды может быть использовано до 1,5 % от всей поступающей солнечной энергии, что при высокоэффективном ее использовании позволит покрыть возрастающие потребности.
Среднесуточная интенсивность потока солнечного излучения в тропических зонах и пустынях равна 210-250 Вт/м2 (18-21,2 МДж/(м2·сут)), в центральной части России - 130-210 Вт/м2 (10,8-18 МДж/(м2·сут)), а на севере России 80-130 Вт/м2 (7,2-10,8 МДж/(м2·сут)) [72]. С помощью современных гелиотехнических устройств может быть потреблено от 10 до 50 % этой возобновляемой
энергии.
Для оценки эффективности использования солнечного излучения конструкторы и потенциальные потребители нуждаются в информации о сезонных
ресурсах его поступления в различных регионах России. Получение этой информации сопряжено с рядом технических сложностей, связанных, прежде всего, с тем, что актинометрические наблюдения, то есть измерения интенсивности солнечного излучения, ведутся лишь только на ограниченном числе российских метеостанций, не обеспечивающих полное покрытие территории России. Карты, составленные в Институте высоких температур [72, 73] на базе
климатических данных NASA, полученных на основе многолетних спутниковых наблюдений за радиационным балансом поверхности земли, учитывают
также сведения, содержащиеся в научно-прикладном справочнике по климату
СССР [50].
На рис. 1.1-1.2 представлены территории Европы и Российской Федерации
с распределением за календарный год среднедневных сумм солнечной радиации на горизонтальной поверхности, которые могут быть использованы при
проведении расчетов оценки целесообразности и эффективности применения
систем солнечного теплоснабжения зданий.
Анализ представленных карт показывает, что различные районы России
характеризуются среднегодовым поступлением солнечной радиации на горизонтальную поверхность от 2,5 до 4 кВт·ч/(м2·день). Это также характерно и
для большей части территории Европы, где активно продвигаются системы
солнечного энергообеспечения. Существующее положение в возобновляемой
энергетике в большинстве Европейских стран, а в частности в гелиоэнергетике,
позволяет говорить о достаточной ресурсной обеспеченности Российских регионов для освоения данного экологически чистого источника.
5
Рис. 1.1. Среднедневные суммы солнечной радиации на горизонтальной поверхности за весь год для территории
Европы, кВт·ч/(м2·день)
6
Рис. 1.2. Среднедневные суммы солнечной радиации на горизонтальной поверхности за весь год для территории
Российской Федерации, кВт·ч/(м2·день)
7
Наиболее высокие показатели удельной энергии достигаются в южных регионах страны: Северный Кавказ, Приморье, юг Сибири. Однако и в других
широтах ресурсы солнечной радиации достаточно велики. Более 60 % территории России, в том числе и многие северные районы, характеризуются среднегодовым поступлением от 3,5 до 4,5 кВт·ч/(м2·день). Следовательно, энергетическая эффективность гелиоустановок на всей территории России является приблизительно одинаковой до 65 параллели.
Важным фактором, определяющим экономическую эффективность применения солнечного теплоснабжения для сооружений, является продолжительность их использования в течение года. Проблема заключается в том, что для
высокоширотных районов различие в поступлении радиации летом и зимой
может быть достаточно велико. В средней полосе России, в том числе и в Москве, поступление энергии солнечного излучения в теплый период в пять раз
больше, чем в холодный. Очевидно, что для данных метеоусловий солнечные
водонагревательные установки должны иметь большую поверхность коллекторов для улавливания менее интенсивных потоков радиации, незамерзающий
теплоноситель и, следовательно, дополнительные теплообменники для последующего нагревания воды и аккумуляторы, позволяющие сохранять тепло на
длительный период времени.
1.1.
Свойства энергетического поля солнечной радиации для
прогнозируемого и эффективного использования
Излучательная способность Солнца характеризуется тремя звездными температурами [168]: эффективной (энергетической) 5784 К, цветовой температурой 7140 К и температурой излучения 5036 К. Последние численные значения
приведены соответственно для видимого =0,4-0,7 мкм и инфракрасного =11,1
мкм излучения. Полный спектр электромагнитных колебаний солнечного излучения, изображенный на рис. 1.3, очень широк и охватывает весь ультрафиолетовый спектр, рентгеновские и -излучения, от опасного воздействия которых
защищает атмосфера.
Для теплотехнических задач строительной гелиотехники применительно к
объектам, расположенным на поверхности Земли, практический интерес представляет, в соответствии с рис. 1.4, 1.5, 1.6, относительно небольшая часть солнечного спектра, а именно селективные участки ультрафиолетового спектра,
видимый и ближний инфракрасный диапазоны, в которых переносится до 99 %
энергии, проникающей сквозь атмосферу [64, 168]. В этих трех главных областях существует следующее соотношение по энергоемкости: ультрафиолетовая 3 %, видимая - 50 %, инфракрасная - 45 %.
При входе в земную атмосферу солнечная радиация распределяется на части. Одна из них поглощается водяным паром и озоном, вторая рассеивается молекулами воздуха, водяного пара и частицами пыли, образуя диффузионную
радиацию, а третья часть без изменения направления достигает поверхности
земли, поэтому является прямой радиацией.
8
Рис. 1.3. Спектр электромагнитных колебаний солнечного
излучения: 1 - диапазон, в котором солнечная
радиация оказывает тепловое и физико-химическое
воздействие на космические аппараты; 2 - то же для
земных сооружений; 3 - диапазон коротковолнового
и длинноволнового лучистого теплообмена космических аппаратов; 4 - то же для земных сооружений
Рис. 1.4. Распределение энергии в спектре солнечного излучения:
1 – рентгеновские лучи; 2 – линейчатая ультрафиолетовая
часть спектра; 3 – ультрафиолетовая и видимая части
спектра; 4 – видимая часть спектра; 5 – инфракрасная
часть спектра; 6 - -линия Лаймана; 7 - -линия Лаймана
9
Рис. 1.5. Распределение энергии по спектру солнечного излучения
В результате, к ограждениям любого объекта поступает прямая, рассеянная, а также отраженная от окружения солнечная радиация, которая, взаимодействуя с наружными конструкциями сооружения, частично отражается в пространство в виде коротковолнового излучения, и частично поглощается материалом наружных ограждений.
Рис. 1.6. Спектральный состав солнечной энергии, прошедшей
через сухую и чистую атмосферу, при различных
высотах солнца hо
Наряду с коротковолновой солнечной радиацией к объектам поступает и
длинноволновое тепловое излучение атмосферы, называемое тепловым противоизлучением [168]. Часть длинноволнового теплового противоизлучения атмосферы поглощается ограждением пропорционально коэффициенту черноты
ε, а остальная часть отражается. Кроме того, ограждения строительных объектов, имеющие температуру выше абсолютного нуля, сами излучают в длинно-
10
волновом спектре. Основную часть до 99 % теплового излучения атмосферы и
конструкций составляют электромагнитные волны инфракрасного диапазона
длиной от 4 до 40 мкм.
Следует также отметить, что при малой высоте Солнца энергия распространяется по большей площади земной поверхности, и поэтому нагревание
каждого 1 м2 весьма незначительно. Так как интенсивность солнечной радиации в соответствии с рис. 1.7 зависит от широты, времени года и долготы дня
[111], то суточные суммы солнечной радиации в середине лета достигают максимальной величины на полюсах, хотя годовая сумма в этих зонах в 2,5 раза
меньше, чем на экваторе [168].
Рис. 1.7. Солнечная радиация, поступающая на горизонтальную
поверхность в ясный день для различных северных широт
Выделим некоторые наиболее важные для гелиотехнических разработок
свойства энергетического поля солнечной радиации, воздействующего на
строительные объекты, как на поверхности земли, так и в окружающем пространстве [168]:
 спектральный состав электромагнитных волн способствует переносу основной энергии в диапазоне от 0,3 до 3 мкм;
 анизотропность поля излучения;
 периодичность и изменчивость направления и энергетического уровня потоков радиации во времени и в пространстве для большинства систем;
 взаимодействие с облучаемой конструкцией по поверхности и в пределах
глубины лучепрозрачного слоя;
11
 способность поглощаться строительными материалами с выделением теплоты.
Именно эти свойства и определяют специфику гелиотехнического конструирования зданий и солнечных энергогенерирующих систем для них.
1.2.
Солнечная энергооблученность зданий и сооружений
Здания и сооружения участвуют в многокомпонентном лучистом теплообмене в системе «солнечная радиация - атмосфера - объект», который происходит в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях электромагнитного
спектра. Достигаемый интегральный теплотехнический эффект от воздействия
солнечной радиации, зависит от формы здания, его ориентации, объемноконструктивного решения наружных ограждений, коэффициентов поглощения
строительных материалов.
Рассмотрим характер взаимодействия солнечного излучения на здание как
на геометрическое тело простой формы. Для этого воспользуемся имеющимися
климатическими наблюдениями [50, 72, 168] за действительными суммами
солнечной радиации с учетом облачности, так как значения данных величин
участвуют в тепловом балансе сооружений, как в летние месяцы, так и в отопительный сезон.
Обобщенным показателем энергетического уровня солнечной радиации на
поверхности зданий принято считать приведенную солнечную облученность
единицы площади наружных ограждений. Эта величина позволяет количественно определить достигаемый теплотехнический эффект при воздействии солнечного излучения на конкретный строительный объект. Она также позволяет
оценить влияние архитектурной формы, ориентации, времени года и суток на
балансовом участии солнечной энергии в тепловом режиме зданий, то есть является в какой-то мере критерием энергоэффективности объемнопланировочных решений зданий.
Приведенная энергообученность эталонного здания, то есть абсолютно
черного тела кубической формы при длине граней 1 м, для климатических условий (рис. 1.8), где имеются данные многолетних актинометрических наблюдений, показывает, что ее ресурс в основном пропорционален облученности горизонтального покрытия. Максимум данного параметра при учете статистической облачности в северных широтах приходится на июнь (Архангельск,
Санкт-Петербург) и достигает 3477-4164 Вт/м2 (рис. 1.8) [168].
Отметим, что по абсолютной величине приведенная облученность эталона
в Архангельске в весенние и летние месяцы выше, чем в Санкт-Петербурге, на
5,5 %, а в мае-июле она на 4 % ниже среднесуточной облученности в Волгограде. Не смотря на то, что активное облучение зданий в Архангельске продолжается около месяцев в году, из приведенных данных (рис. 1.8) следует, что на севере при определенных условиях можно развивать некоторые направления солнечного горячего водоснабжения, и в первую очередь для работающих в летние
месяцы сооружений.
12
Рис. 1.8. Годовая приведенная солнечная облученность для
гелиоклиматических условий: 1 – Архангельска;
2 – Волгограда; 3 – Санкт-Петербурга; 4 – Сочи;
5 - Уссурийска
Южнее 50 ос.ш. годовой максимум приведенной облученности эталона за
счет действительных условий облачности смещается на июль (рис. 1.8). Наиболее ярко выраженное увеличение рассматриваемого показателя характерно для
весенних месяцев и начала лета [168]. Во второй половине лета и осенью значения приведенной облученности эталонных зданий в различных городах и
географических районах распределяются пропорционально не только изменению общего прихода суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность, но и с учетом неоднородного возрастания облачности, числа дождливых и пасмурных дней.
Следует отметить некоторые не характерные моменты, например, годовой
фонд приведенной облученности на Дальнем Востоке, вызванны особенностями климата, в частности, влиянием муссонов в Приморье. Например, для г. Уссурийска (рис. 1.8) приведенная облученность летом минимальна по сравнению
с другими регионами России и максимальна в зимние месяцы.
Таким образом, анализ приведенной облученности эталонных зданий подтвердил, прежде всего, естественную предрасположенность южных регионов
для строительства гелиоактивных зданий, в том числе и Приморского края. Но
13
необходимо отметить, что разработка более совершенного оборудования систем утилизации солнечной энергии позволит расширить территорию ее эффективного использования для зданий различного назначения.
Целесообразность экспериментального или серийного строительства гелиотехнических зданий в том или ином районе должна выявляться на основании анализа его энергооблученности и сопутствующих климатических факторов, непосредственно влияющих на тепловой режим наружных ограждений. В
комплексную климатологическую характеристику метеоусловий региона помимо актинометрических показателей входят данные о температуре и влажности воздуха, скорости ветра, суточном и сезонном ходе облачности, туманах и
осадках и, что обеспечивает возможность полноценного анализа с прогнозированием замещения нагрузок систем жизнеобеспечения зданий солнечной энергией.
Статистически достоверная информация о взаимосвязи таких важнейших
характеристик климата, как температура наружного воздуха и ветер, с поступлением действительных сумм солнечной радиации для обеспечения контрастной репрезентативности была получена на основе анализа климатических наблюдений в работе [168]. При этом были выявлены важные для гелиоактивных
зданий взаимосвязи параметров:
 Наиболее высоким среднемесячным значениям суммарной радиации соответствуют более высокие температуры наружного воздуха. Это положение
также характерно и для самых низких температур отопительного периода,
наблюдаемых также при ясном небе, поэтому в дневное время суток возможна компенсация тепловых потерь зданий посредством поступления
преобразованной солнечной радиации за счет гелиотехнических устройств
и элементов ограждений;
 Температура воздуха при отсутствии облачности в холодный период года в
среднем на 3-5 оС выше, чем при пасмурной погоде, а суммарная радиация
в холодные месяцы при повышенной облачности в 2 раза ниже, чем при
наблюдаемом солнечном сиянии;
 Скорость ветра и состояние облачности имеет не столь явную взаимосвязь,
чтобы ее учитывать в расчетах.
Соотношение солнечной облученности здания, его частей и гелиоприемников при влиянии других климатических факторов и достигаемые результаты
в энергосбережении в различных регионах сводятся к следующим возможным
ситуациям:
I – солнечной энергии района строительства в холодный период года, достаточно для отопления всего проектируемого полезного объема здания при
действительных кпд современных утилизирующих систем;
II – солнечной энергией можно обеспечить отопление отдельных секций
или ячеек здания при энергетически выгодных ориентаций гелиоактивных наружных ограждений и устройств;
III – утилизируемой радиации недостаточно для компенсации тепловых
потерь здания, но дефицит может быть теплотой, полученной и аккумулированной в солнечные дни отопительного сезона;
14
IV - энергии недостаточно, но при этом дефицит теплоты в холодный период года может быть ликвидирован за счет использования межсезонной аккумуляции солнечной энергии;
V – энергии недостаточно, и ее использование в нагрузках на отопление
ограниченно осенним и весенними сезонами; для поддержания нормируемых
параметров микроклимата требуется дополнительное тепло, которое может
быть частично восполнено за счет летней аккумуляции при базовом традиционном энергоснабжении;
VI – солнечная энергия к сооружениям с базовым традиционным теплоснабжением не поступает в отопительном сезоне, и возможна лишь ее летняя
аккумуляция при использовании высокоэффективных устройств утилизации
излучения.
В соответствии с перечисленными ресурсами облученности технические
решения по солнечному энергозамещению в компенсации тепловых потерь целесообразно представить в виде следующих основных направлений:
 проектирование зданий, которые полностью отапливаются посредством
утилизации солнечной энергии (характерно для позиции I);
 разработка в проектируемых сооружениях секций, квартир и помещений с
одно- и многофасадным облучением (ситуации I и II);
 использование наружных ограждений сооружений, расположенных в эффективном радиусе от гелиоактивного здания, в качестве переотражателей
для увеличения энергооблученности поглощающих панелей (случаи II-V);
 строительство малоэтажных микрорайонов с единой или автономными
системами солнечного теплоснабжения (I-III);
 проектирование систем утилизации солнечной энергии с пообъектным или
централизованным межсезонным аккумулированием теплоты (III-VI).
В каждом конкретном случае проектирования необходимо принимать
обоснованные решения с использованием высокоэффективных средств по
улавливанию солнечной радиации и с последующим аккумулированием теплоты на длительный период времени с учетом нестабильности погодных условий
средней полосы и северных широт России. Изменчивость метеорологических
параметров вызывает необходимость обязательной установки отопительного
дублера для всех систем солнечного обогрева строительных объектов, разрабатываемых в зависимости от рассмотренных случаев энергообеспеченности.
Следует отметить, что уже сейчас существует база данных со значительным количеством конструктивных решений гелиосистем в зависимости от назначения, способа утилизации и производительности установок. Предлагаемое
теплоснабжение сооружений от возобновляемого источника имеет значительные преимущества, такие как экологические, экономические и социальные. К
ним относятся: сокращение потребления топливно-энергетических ресурсов,
снижение вредных выбросов в атмосферу, простота конструкций и надежность
в работе, небольшие эксплутационные расходы, значительный нормативный
срок службы оборудования, полная безопасность, включая экологическую и
пожарную.
15
1.3. Теплопоступления от солнечной радиации
на сооружения и в помещения
Выбор технического решения, направленного на утилизацию солнечного
излучения в конкретных климатических условиях прежде всего зависит от величины среднемесячного суммарного поступления радиации.
Основной единицей расчёта солнечной энергии является плотность потока
излучения I0, Вт/м2, попадающего на перпендикулярную к нему поверхность,
расположенную на среднем расстоянии от Земли до Солнца [131].
На протяжении последних десятилетий показатель данной величины постоянно уточнялся. В настоящее время наиболее достоверным является значение 1360 Вт/м2, которое было получено А. В. Харитоновым и Е. А. Макаровой.
Количество солнечной энергии, поступающей на 1 м2 горизонтальной поверхности земли, может быть определено решением уравнения радиационного
баланса, учитывающего поступающие и уходящие потоки энергии от рассматриваемой площадки. Уравнение радиационного баланса можно записать в следующем виде
I П  I Д  ЕА  ЕЗ  I ОТ ,
(1.1)
где IП – интенсивность прямого солнечного излучения, Вт/м2, в пределах земной атмосферы с измененным спектральным составом за счет поглощения коротковолновой части атмосферой; IД - рассеянное диффузионное излучение,
Вт/м2, интенсивность которого зависит изменения яркости солнечного сияния и
наличия облаков различного типа; IОТ - отраженное от поверхности излучение,
Вт/м2, величина которого определяется коэффициентом отражения (альбедо);
ЕА, ЕЗ - тепловые излучения, соответственно, атмосферы, направленные к рассматриваемой площадке, и самой поверхности, Вт/м2.
В основном в уравнении баланса преобладает энергии, направленная на
поверхность земли в виде потока прямого солнечного излучения, но пренебрежение рассеянным излучением недопустимо, так как для северных районов
присутствует в значительной мере теплота от излучения небосвода, особенной
в холодный период года. и особенной в холодный период года, используют В
южных широтах рассеянную необходимо также учитывать в уравнении баланса, хотя она достигает меньших значений. Даже в регионах с продолжительным
периодом солнечного сияния (рис. 1.9) диффузная составляющая оказывает
существенное влияние на количество поступающей энергии, которое, например
для Ташкента (41 ос.ш.) в соотношении к прямому излучению достигает 53 % в
осенний и зимний сезоны, а весной и летом - 30 %. Поэтому для проведения
расчетов, позволяющих правельно оценить ресурсы солнечной энергии в различных климатических зонах необходимы данные о коэффициентах отражения,
поглощения и пропускания облачного покрова, определяющих его тепловой
баланс и зависящих от альбедо облаков.
Альбедо – доля солнечного излучения, отраженного объектом, выражаемая
в процентах или долях единицы. Альбедо облаков в зависимости от их типа и
16
вертикальной мощности (под вертикальной мощностью понимается высота
слоя облаков) колеблется от 0,17 до 0,81 [132].
Рис. 1.9. Продолжительность солнечного сияния на территории РФ
В международной классификации облаков для описания их внешнего вида
использованы латинские термины: alto-высоко; cirrus-перистый, cumulusкучевой, nimbus-дождевой и stratus-слоистый. Сочетания этих терминов образовывают наименования десяти главных форм облаков: cirrus-перистые (Ci),
cirrocumulus-перисто-кучевые (Cc), cirrostratus-перисто-слоистые (Cs), altocumulus-высококучевые (Ac), altostratus-высокослоистые (As), nimbostratusслоисто-дождевые (Ns), stratocumulus-слоисто-кучевые (Sc), stratus-слоистые
(St), cumulus-кучевые (Cu), cumulonimbus-кучево-дождевые (Cb).
Альбедо различных типов облаков показывает сильную зависимость данной величины от их мощности, что можно проследить на примере климатических условий Москвы и Архангельска (рисунок 2.10) [131]. Альбедо всех облаков растет с увеличением их мощности. Форма облаков также оказывает существенное влияние на альбедо.
а
б
Рис. 1.10. Зависимость альбедо облаков от их мощности для климатических зон: а – Москвы; б - Архангельска
17
У верхней границы земной атмосферы интенсивность солнечного излучения в N-ый день, отсчитанный от начала астрологического года, может быть
определена по формуле [132]
2    ( N  4) 

I 0 ( N )  I 0  1  0,035  cos
.
366


(1.2)
Но интенсивность солнечного излучения в определенных географических
координатах земной поверхности и конкретный момент времени будет зависеть
уже от множества факторов: долготы, широты, состояния воздушной среды,
гидрометеорологических показателей и конкретного астрологического часа. В
наиболее благоприятных районах значение интенсивности излучения может
превышать 1000 Вт/м2.
Как правило, измерения солнечного излучения показывают отклонения от
расчетных значений, так как не все учитываемые факторы поддаются точному
корреляционному прогнозу. Как показывает анализ многолетних актинометрических наблюдений, поступления солнечного излучения относятся к стохастическим процессам.
Для проектирования гелиоустановок важным этапом является прогнозирование годового, месячного и суточного изменения интенсивности солнечного
излучения. На точность расчетов оказывает влияние характеристика структуры
временных рядов солнечной радиации, которая предполагает изучение и определение следующих показателей:
- суммарного прямого и рассеянного излучения по сезонам, месяцам и суткам;
- повторяемость суммарной солнечной радиации по месяцам и суткам, в
том числе и в виде интегральных распределений, то есть с учетом обеспеченности;
- часовых и мгновенных значений интенсивности солнечного излучения и с
повторяемостью в виде интегрального распределения;
- годовой, ежемесячной и суточной продолжительностями солнечного сияния и с их возможной повторяемостью;
- оценку прогнозируемых продолжительностей работы и простоев систем
утилизации солнечной энергии.
Поступления в помещения через остекления солнечной энергии, Вт, для
четырёх фасадов зданий, можно определить по формуле [36]
Qсргод  F kF ( AF 1 I1  AF 2 I 2  AF 3 I 3  AF 4 I 4 )  SCY kSCY ASCY I hor ,
(1.3)
где  F ,  SCY - коэффициенты, учитывающие затенение, соответственно, окон и
зенитных фонарей различными непрозрачными конструктивными элементами,
значения которых можно принимать по табличным данным [36]; k F , k SCY - коэффициенты относительного проникания солнечного излучения, соответственно, для светопрозраных ограждений окон и фонарей, приводимые в паспортных
данных или принимаемые исходя из технических сведений, приведенных в
[36]; AF 1 , AF 2 , AF 3 , AF 4 - площади световых проемов на фасадах сооружения,
18
ориентированные по четырем направлениям, м2; ASCY - площадь зенитных фонарей здания, м2; I 1 , I 2 , I 3 , I 4 - среднее поступление солнечной энергии при
действительных условиях облачности за рассматриваемый период на вертикальные поверхности, ориентированные по четырём фасадам здания, Вт/м2; I hor среднее поступление солнечной энергии при действительных условиях облачности за рассматриваемый период на горизонтальную поверхность, Вт/м2.
Интенсивность воздействия солнечной радиации на поверхность, нормально расположенную к направлению к направлению излучения в широтах от 38 о
до 64о можно рассчитать по формуле [24]
IМ 
I 0  sin h
.
sin h  c
(1.4)
Для широт 0-37о и 65-98о большую точность дает зависимость [24]
 r  sin h
,
I М  I0   0  
 r  sin h  c
(1.5)
где r0, r - расстояния от земли до солнца, соответственно, среднее r0=149,5∙106
км и в рассматриваемый период года, которое увеличивается от первого января
с 147∙106 км до 152∙106 км первого июля; h - высота стояния солнца в расчётный
час суток над рассматриваемой местностью, выраженная в градусах; с - коэффициент прозрачности атмосферы, принимаемый по [24].
Высоту стояния солнца можно рассчитать по выражению
sin h  cos   cos   cos   sin   sin  ,
(1.6)
где  - географическая широта местности, ос.ш.;  - склонение солнца, град; 
- часовой угол солнца, град.
Для определения угла солнечного склонения можно воспользоваться формулой [24]


  23,45  sin 360o 
284  n 
,
365 
(1.7)
где n - порядковый номер дня года, отсчитываемый с первого января.
Часовой угол солнца можно вычислить по формуле [24]
  15  z  180 ,
(1.8)
где z – рассматриваемый час суток.
Поступление прямого солнечного излучения на вертикальные поверхности
можно определить по формуле [24]
I ПВ  I М  cos  ,
(1.9)
где  - угол между направлением солнечного излучения и нормалью к поверхности, град.
19
Для расчета рассеянной солнечной радиации, поступающей на вертикальные поверхности, I ДВ можно воспользоваться зависимостями, предложенными в
[36].
Существующие методы определения энергооблученности местностей различных широт часто не дают достаточной точности для оценки имеющихся ресурсов по климатическим зонам. Это так же подтверждается прослеживаемой
неравномерностью распределения солнечной радиации по территории РФ (рис.
2.1-2.3). Поэтому целесообразно воспользоваться многолетними данными актинометрических наблюдений для получения зависимостей, прогнозирующих поступление солнечной энергии с учетом различных факторов и прежде всего
широты местности. Искомое решение при постановке данной задачи можно записать в виде общего выражения
I  f (; a1, a2 ,..., an ),
(1.10)
где φ - широта, с.ш.; a1, a2,…,am – коэффициенты аппроксимации.
При требуемом определении изменений суточных поступлений на облучаемые поверхности местностей известных широт искомая зависимость может
быть представлены в виде
I  f ( ; a1, a2 ,..., an ),
(1.11)
где τ – время в 24 часом поясе, ч.
Для аппроксимации с достоверностью от 0,95 до 1 использовались статистические данные [9, 90] облучения солнечной радиацией прямой и рассеянной
горизонтальной и вертикальных поверхностей в отсутствии облачности [94, 95,
101]. Полученные формулы, приведенные в табл. 2.1-2.3, позволяют определять
энергооблученность солнечной радиацией в любой географической широте, находящейся в диапазоне от 40 до 68.
Таблица 1.1
Поступление прямой и рассеянной солнечной радиации в июле
на горизонтальную поверхность при безоблачном небе, Вт/м2
Северная
Расчетная формула
R2
широта
I  132,18  218,94   93,486  2  8,6277  3  0,227  4
40
1,00
42
I  107,14  188,65   86,018  2  8,0094  3  0,2108  4
1,00
44
I  91,078  167,23   80,235  2  7,5194  3  0,1979  4
1,00
46
I  69,882  139,68   73,024   6,9129   0,1819 
1,00
48
I  47,608  112,75   66,154  2  6,3389  3  0,1668  4
1,00
50
I  27,833  88,538   60,108  2  5,8367  3  0,1536  4
1,00
52
I  17,912  69,276   55,022  2  5,408  3  0,1423  4
1,00
54
I  11,98  54,094   50,679  2  5,035  3  0,1325  4
1,00
2
3
4
20
Окончание табл. 1.1
Северная
широта
56
I  5,1667  35,461  45,126  2  4,5537  3  0,1198  4
1,00
58
I  17,902  32,971  43,095  2  4,3536  3  0,1146  4
1,00
60
I  15,863  13,835   36,605  2  3,7765  3  0,0994  4
1,00
62
I  27,01  7,4715   33,233   3,4568   0,091
1,00
64
I  51,072  54,376   37,012  2  3,2783  3  0,0781 4
1,00
66
I  69,99  45,227   33,663  2  3,0009  3  0,0714  4
1,00
68
I  95,443  41,672   31,518  2  2,8128  3  0,067  4
Примечание: τ – часы суток, ч.
1,00
R2
Расчетная формула
2
3
4
Таблица 1.1
Суммарное месячное поступление солнечной энергии (прямой и рассеянной) на
горизонтальную поверхность при безоблачном небе в зависимости от географической широты, МДж/(м2·мес)
Период
Расчетная формула
R2
I  614,08  ln( )  2586,09
Январь
1,00
I  600,56  ln( )  2638,10
Февраль
1,00
2
I  0,16    5,41   677,87
Март
0,98
I  364,69  ln( )  2108,73
Апрель
0,99
I  150,26  ln( )  1444,03
Май
0,99
I  0,00005571  5  0,01486526   4  1,57018502   3 
Июнь
0,96
 82,03553868   2  2117,99506113    20707,95629264
Июль
I  0,00163130   4  0,34016927   3  26,31315104   2 
 896,02144210    12226,70616884
I  322,42  ln( )  1988,98
Август
Сентябрь I  570,53  ln( )  2779,51
I  762,80  ln( )  3343,38
Октябрь
I  650,10  ln( )  2760,50
Ноябрь
I  623,75  ln( )  2596,38
Декабрь
I  5345,15  ln( )  27218,19
Год
Примечание: φ - географическая широта, ос.ш.
0,95
0,99
0,98
0,99
0,99
1,00
1,00
Полные сведения по поступлению солнечной радиации на вертикальные
поверхности различных ориентаций в зависимости от географической широты
приведены в приложении 1.
21
Таблица 2.2
Суммарное месячное поступление солнечной энергии (прямой и рассеянной) на
вертикальную поверхность южной ориентации при безоблачном небе в зависимости от географической широты, МДж/(м2·мес)
Период
Расчетная формула
R2
I  936,33  ln( )  4171,65
Январь
0,98
2
I  0,42    34,34    93,86
Февраль
0,98
3
2
I  0,01606    2,96503    176,29365    2718,28571
Март
0,94
3
2
I  0,02083    3,13988    145,07738    2568,28571 0,97
Апрель
I  0,07   2  19,80    356,09
Май
1,00
I  641,97  ln( )  2114,55
Июнь
1,00
I  661,30  ln( )  2156,88
Июль
1,00
I  474,27  ln( ) 1360,38
Август
0,99
3
2
I  0,02214    3,88690    228,54464    3894,35714
Сентябрь
0,98
2
I  0,33    30,90    97,50
Октябрь
0,96
Ноябрь
1,00
I  0,46   2  34,68    18,36
Декабрь
I  0,46   2  34,68    18,36
Примечание: φ - географическая широта, ос.ш..
1,00
При необходимости учета действительной облачности различных климатических зон, полученные в соответствии с уравнениями табл. 1.1-1.3 расчетные значения следует умножать на поправочный коэффициент ψ, значения которого приведены в табл. 1.4. Поправочный коэффициент представляет собой
отношение солнечной энергии, поступающей при действительных условиях облачности IO и при ясном небе I
IO

.
I
(1.12)
Более полные сведения по поправочному коэффициенту ψ приведены в
приложении 2.
Таблица 1.4
Значения поправочного коэффициента ψ снижения поступления солнечной энергии
Регион, область
Район, город
Северо-Кавказский регион
Республика Дагестан,
42˚ 59' с.ш.
г. Краснодар, 45˚ 2' с.ш.
г. Сочи, 43˚ 35' с.ш.
г. Гигант, 46˚ 33' с.ш.
г. Цимлянск, 47˚ 39'
с.ш.
г. Воронеж, 51˚ 43' с.ш.
г. Курск, 51˚ 44' с.ш.
г. Москва, 55˚ 45' с.ш.
г. Иваново, 57˚ с.ш.
г. Кострома, 57˚ 48' с.ш.
г. Смоленск, 54˚ 48'
с.ш.
Новгородская область,
г. Валдай, 57˚ 57' с.ш.
г. Санкт-Петербург, 59˚
56' с.ш.
Ленинградская область,
Новая Ладога, 60˚ 06'
с.ш.
г. Вологда, 59˚ 14' с.ш.
г. Архангельск, 64˚ 32'
с.ш.
Республика Карелия, г.
Петрозаводск, 61˚ 42'
с.ш.
Краснодарский край
Ростовская область
ЦентральноЧерноземный регион
Центральный регион
Северо-Западный регион
Северный регион
Месяц года
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
0,76
0,79
0,79
0,79
0,69
0,60
0,47
0,42
0,61
0,61
0,65
0,68
0,69
0,75
0,72
0,80
0,76
0,74
0,83
0,77
0,71
0,83
0,79
0,67
0,75
0,73
0,61
0,71
0,67
0,46
0,62
0,48
0,35
0,48
0,40
0,58
0,68
0,77
0,79
0,76
0,81
0,74
0,63
0,46
0,36
0,53
0,59
0,58
0,42
0,60
0,55
0,54
0,56
0,35
0,58
0,57
0,58
0,61
0,34
0,64
0,66
0,67
0,67
0,32
0,65
0,71
0,70
0,70
0,33
0,68
0,67
0,67
0,65
0,33
0,68
0,66
0,68
0,67
0,34
0,67
0,62
0,61
0,60
0,30
0,55
0,53
0,52
0,49
0,32
0,44
0,41
0,38
0,38
0,26
0,36
0,37
0,40
0,35
0,33
0,41
0,47
0,55
0,50
0,53
0,54
0,57
0,55
0,56
0,50
0,45
0,34
0,38
0,45
0,53
0,59
0,60
0,64
0,68
0,65
0,62
0,53
0,43
0,33
0,39
0,29
0,39
0,50
0,54
0,62
0,66
0,64
0,59
0,52
0,42
0,25
0,19
0,4
0,50
0,56
0,58
0,65
0,69
0,65
0,63
0,53
0,44
0,31
0,33
0,47
0,58
0,69
0,64
0,62
0,66
0,68
0,64
0,51
0,42
0,43
0,49
0,44
0,45
0,57
0,61
0,60
0,67
0,66
0,60
0,46
0,43
0,39
0,45
0,45
0,55
0,57
0,62
0,66
0,63
0,57
0,47
0,46
0,31
I
II
III
IV
V
0,48
0,48
0,51
0,68
0,48
0,51
0,55
0,53
0,55
0,57
0,53
0,53
0,57
0,52
0,55
0,52
0,52
0,50
0,37
0,48
0,32
23
Глава 2. Классификация систем солнечного энергообеспечения
Утилизация солнечной радиации возможна посредством двух основополагающих процессаов преобразования электромагнитного излучения. Первое
направление связано с высокотехнологичным производством улавливающих
элементов, обеспечивающих непосредственное получение электрической
энергии или за счет организации термодинамического цикла. Создание таких
утилизирующих систем связано с достаточно значительными затратами.
Второе направление предполагает преобразование солнечного излучения в
низкотемпературную тепловую энергию, которая по своим параметрам может быть эффективно использована в системах горячего водоснабжения,
отопления и холодоснабжения. Оно характеризуется относительно меньшими затратами и более высоким КПД применяемого для этой цели оборудования.
2.1.
Преобразование солнечной энергии в электрическую
Существует два способа получения электрической энергии при преобразовании солнечного излучения:
 Посредством термодинамического цикла, основанного на производстве
пара с высокой температурой, направляемого на лопатки турбин; данный
способ получения электрической энергии требует применения концентрирующих устройств с системами слежения за Солнцем, чтобы фокусировать излучение на приемнике;
 прямое преобразование электромагнитных волн в электрическую энергию
с помощью фотоэлементов.
Первый способ получения электроэнергии применяется только в регионах, обладающих значительными ресурсами солнечной радиации. Второй
способ может быть использован повсеместно, но производство электричества
пропорционально интенсивности света.
Фотоэлементы могут быть трех типов со следующими значениями КПД:
I. монокристаллические, 12-15 %;
II. поликристаллические, 11-14 %;
III. аморфные, 6-7 %
В последние десятилетия активно ведутся разработки и исследование
фотоэлектрических преобразователей с целью повышения их КПД. На современном этапе при эксплуатации в пределах земной атмосферы КПД применяемых для этой цели полупроводников не достигает 25 %, что создает определенные препятствия их использования в промышленных масштабах.
При освещении полупроводников выше перечисленных типов в их
структуре возникает фотоэлектрический эффект. Фотоэлектрическим эффектом называется появление ЭДС и, соответственно, электрического тока в
замкнутой цепи под действием солнечной радиации. Фотоны с длиной электромагнитных волн 0,1-0,38 мкм [160, 168], в основном относящихся к ульт-
24
рафиолетовому излучению, выбивают электроны из своих орбит в полупроводниках. В результате образуются отрицательные и положительные заряды,
разделенные в пространстве и создающие ЭДС. Получаемые положительные
заряды принято условно называть «дырки», а проводимость в этой зоне ртипа. Другая зона относится к n-типа проводимости.
Почти все фотоэлементы представляют систему из двух полупроводников с проводимостями р- и n-типа, находящихся в тесном контакте друг с
другом. Граница между областями с противоположными типами проводимости располагается внутри полупроводникового материала и называется электронно-дырочным или р-n переходом.
Под действием света атомы полупроводника возбуждаются и в кристалле как в n, так и в р областях возникают избыточные пары электрон - дырка.
Образовавшиеся электроны и дырки, участвуя в тепловом движении, перемещаются в различных направлениях, в том числе и к р-n переходу. Благодаря наличию потенциального барьера электронно-дырочный переход будет
разделять диффундирующие к нему избыточные носители тока. В результате
такого разделения в n-области кристалла будут накапливаться избыточные
электроны, а в р области – избыточные дырки. Такое скопление будет приводить к созданию электрического поля, которое зарядит слой р–типа положительно, а слой n-типа – отрицательно. Между n и р областями пластинки
возникнет фото-ЭДС. Концентрация образованных солнечным излучением
избыточных носителей тока у р-n перехода, а следовательно, и величина фото-ЭДС зависят от интенсивности светового потока и величины нагрузочного
сопротивления, включенного во внешнюю цепь фотопреобразователя.
Применяемые полупроводники позволяют создать необходимый р-n переход, но пока более 90 % фотоэлементов, характеризующихся низким КПД,
делают из кремния, так как этот элемент после кислорода наиболее распространен и энергии фотонов достаточно для того, чтобы электроны выбить из
своих орбит.
2.2.
Преобразование солнечной энергии в тепловую
Системы солнечного теплоснабжения по интенсификации процессов излучения подразделяются на активные и пассивные. В пассивных системах в
качестве устройств улавливания солнечной радиации, преобразования ее в
тепловую энергию и аккумулирования используют ограждающие конструкции зданий. Для такого способа утилизации излучения, как правило, предусматривают окна большой площади на южных фасадах зданий, а аккумулирование избыточной теплоты в этих случаях происходит в массивах внутренних стен и полов. Учитывая значительное остекление сооружений, для снижения теплопотерь в ночное время холодного периода года и теплопоступлений в летний сезон светопрозрачные ограждения оснащаются подвижными
экранирующими теплоизолирующими устройствами.
25
Повысить эффективность пассивной системы солнечного отопления
можно посредством обустройства дополнительным светопрозрачным ограждением южной стены здания и расположения в ней отверстий для циркуляции воздуха на уровне пола и потолка. При покрытии темными лакокрасочными составами бетонной аккумулирующей стены кпд процесса утилизации
излучения может превосходить 40 %.
Пассивные системы солнечного теплоснабжения экономически целесообразны в ресурсообеспеченных районах, характеризующихся умеренной
температурой наружного воздуха и достаточным количеством солнечного
сияния в холодный период года. Наряду с высокой теплоаккумулирующей
способностью южных стен в случае пассивного отопления наружные ограждения должны иметь тепловую изоляцию, в том числе и подвижную экранирующую, в совокупности обеспечивающую энергоэффективную эксплуатацию зданий.
Отличительными особенностями активных систем солнечного теплоснабжения является наличие технических устройств для улавливания и
трансформирования излучения, таких как коллекторы, теплообменники, аккумуляторы и средства автоматизации.
Активные системы солнечного теплоснабжения классифицируются по
следующим признакам:
 по достигаемым тепловым режимам: высокотемпературные и низкотемпературные;
 по назначению для отопления, горячего водоснабжения и холодоснабжения;
 по времени эксплуатации: сезонные и круглогодичные;
 по теплоносителю: воздушные и жидкостные;
 по способу циркуляции теплоносителя: с естественным (гравитационным)
и принудительным течением за счет действия вентилятора или насоса;
 по способу передачи утилизированного тепла в системы отопления и горячего водоснабжения: одноконтурные (без промежуточного теплообменника) и многоконтурные.
 по продолжительности аккумулирования энергии: краткосрочные и сезонные;
 по физико-химическим процессам, происходящим в аккумуляторах, они
подразделяются на: емкостные (использующие теплоемкость вещества без
изменения агрегатного состояния), фазового перехода и основанные на
поглощении или выделении теплоты при протекании обратимых химических и фотохимических реакций;
Эффективность активных систем значительно превышает пассивные, но
на ее показатели в совокупности влияют кпд отдельных элементов и устройств, однако определяющими являются рабочие параметры коллекторов.
Ниже рассматриваются различные системы утилизации, приводятся их
методики расчета и подбора требуемого оборудования.
26
Глава 3. Способы обеспечения сооружений
энергоемкой облученностью
Архитектура гелиоактивных зданий, оснащенных устройствами улавливания и преобразования солнечного излучения для тепло- и холодоснабжения, приготовления горячей воды или выработки других электроэнергии,
предполагает оптимальное конструирование ограждений с учетом формы
секций, выбор целесообразной ориентации фасадов, обеспечение достаточной инсоляции и требуемой естественной освещенности помещений, что в
совокупности рассмотрения перечисленных вопросов делает необходимым
применение научно обоснованных технических решений для климатических
условий проектирования.
Специальные приемы кластерного конструирования сооружений при соблюдении дополнительных требований, вытекающих из свойств электромагнитного поля солнечного излучения (см. п. 1.2), должны обеспечивать энергосберегающую и экономичную эксплуатацию, а также снижение экологической напряженности районов интенсивной застройки. Регулирование энергооблученности объектов с помощью эффективных приемов и фактический
уровень ее использования в нагрузках систем жизнеобеспечения могут варьироваться в широких пределах, как на стадии принятия проектных решений,
так и при последующем строительстве и эксплуатации.
При проектировании гелиоактивных зданий соблюдать основные технические требования, а также использовать следующие приемы для повышения
ресурсообеспеченности.
При выборе строительной площадки и последующей привязке координат
сооружения должна соблюдаться его удаленность от других объектов, в том
числе и от улавливающих устройств гелиосистем других инженерных сооружений или затеняющих рельефов местности.
Здание, потребляющее утилизированную солнечную радиацию, может
быть автономным или привязанным к системе энергообеспечения гелиопоселка, расположенного на незатененной местности с возможностью при необходимости дополнительной установки отражателей, усиливающих солнечную облученность поглощающих поверхностей.
Выбор конкретной схемы нетрадиционного тепло- и холодоснабжения
для здания зависит от требуемой степени энергозамещения, определяемой
имеющимся дефицитом или технико-экономическим обоснованием. Принятое решение предопределяет тип используемых в дальнейшем гелиоустановок, сужая круг их модификаций и вызывая необходимость предварительной
оценки требуемых площадей панелей. Поэтому в начале определяют ресурсы
солнечной энергии, диапазон их сезонных изменений для зданий, отдельных
его элементов или улавливающих устройств. Сопоставив имеющиеся ресурсы с потребностями и решив вопрос об энергоэффективной архитектурнопланировочной форме здания, приступают к компоновке и расположению
27
основных поглощающих элементов, варианты которых можно разделить по
следующим категориям:
 сооружения с автономными гелиосистемами, около которых или на которых установлены приемники солнечного излучения, и включающие
устройства преобразования и аккумулирования энергии;
 здания с гелиоактивными ограждениями, часть из которых имеет полифункциональное назначение, подразумевающее конструктивное объединение поглощающих панелей и аккумуляторов солнечной энергии;
 сооружения повышенной энергоэффективности, достигаемой посредством принятия оптимальных архитектурно-планировочных решений, по
фасадной ориентации, использованием как качественной тепловой изоляции для наружных ограждений, так и блоков полифункционального
назначения, а также применением активных систем утилизации солнечного излучения.
Для полезного использования энергооблученности зданий с целью снижения нагрузок ан системы жизнеобеспечения применяют активные и пассивные гелиоустановки. Первые характеризуются наличием коллектора, аккумулятора, теплообменников, насосов или вентиляторов, трубопроводов
или воздуховодов, средств автоматического контроля и регулирования. В
пассивных системах роль поглощающих излучение панелей и аккумуляторов
теплоты выполняют ограждающие конструкции здания, а возникающая естественная конвекция при воздействии солнечной радиации вызывает движение нагретого воздуха.
3.1.
Пассивные солнечные системы отопления
Применение пассивных систем солнечного отопления экономически целесообразно в районах с достаточным ресурсом облученности в холодный
период года, значительной продолжительностью солнечного сияния и стабильно умеренной температурой наружного воздуха в зимние месяцы.
При пассивной утилизации излучения происходит ее прямое улавливание и аккумулирование полученной теплоты стенами, полом и потолком, в
том числе и поступающей через окна южной ориентации или на чердачное и
бесчердачное покрытия Указанная ориентация ограждений с гелиоактивными блоками обеспечивает длительность ежедневной инсоляции, что необходимо в зимний сезон. При этом высокое летнее положение Солнца снижает
тепловое воздействие, уменьшая нагрев помещений. Существенно сократить
в теплый период года теплопоступления от солнечной радиации можно относительно простыми экранирующими средствами.
Необходимо отметить, что при определении положения и размера окон,
наряду с оценкой внешнего вида, конструкций, применяемых материалов и
достигаемого эффекта следует учитывать требования строительной физики
по освещенности и тепловой защите помещений [80, 81].
28
Наибольшая степень пассивной утилизации солнечной радиации достигается при остеклении южной аккумулирующей стены, имеющей темную окраску и отверстия для циркуляции воздуха на уровне пола и потолка.
Для зданий, находящихся в благоприятных климатических зонах с достаточной ресурсной обеспеченностью данным видом возобновляемой энергией, часто применяют пассивные солнечные коллекторы, в которых подогревается рециркуляционный или приточный воздух. В этих случаях на южных фасадах зданий монтируются светопрозрачные теплоизоляционные панели с образованием воздушных прослоек у несущих строительных конструкций. Воздух, попадающий в прослойку, под воздействием солнечной радиации нагревается и направляется через каналы при необходимости в дополнительный теплоутилизатор вентиляционных выбросов, а затем в помещения (рис. 3.1) [107]. Как показал опыт эксплуатации таких систем утилизации в климатических условиях Дании, вклад солнечной радиации в тепловой
баланс помещений может достигать 105 кВт·ч на 1 м2 конструкции стены
[107]. Если температура приточного воздуха, поступающего из воздушной
прослойки слишком высока, то его забор производится через приточную
шахту, котороя может быть расположена на крыше или стене здания при
скрытой схеме ее прокладки.
Рис. 3.1. Схема подогрева приточного воздуха при фасадной облицовке светопрозрачным теплоизоляционным материалом: 1
– светопрозрачный теплоизоляционный материал; 2 – воздушный клапан; 3 – утилизатор теплоты вентиляционных
выбросов; 4 – датчик температуры
Обустройство такими фасадами сопровождается значительными капитальными вложениями и в последующем определенными трудностями, свя-
29
занными с дальнейшей эксплуатацией. Поэтому в качестве альтернативного
решения для этой цели применяют так называемые «солнечные вентиляционные башни» [107], которые в виде шахт пристроены с внешней стороны
наружных стен лестничных клеток. Поверхность шахт выполнена из перфорированных алюминиевых пластин с темно-зеленым покрытием. Применяемые окрасочный материал имеет высокий коэффициент поглощения солнечной радиации, что обеспечивает достаточный нагрев наружного воздуха,
проходящего через шахту и направляемого в системы приточной вентиляции.
В верхней части солнечных башен иногда устанавливают конструкции PVVENT, в которых PV-панели фотоэлектрических модулей обеспечивают
Электроэнергией вентиляторы систем общеобменной вентиляции.
Конструктивное
исполнение
«солнечных вентиляционных башен»
характеризуется следующим преимуществом. Вентиляционные каналы
проходят вне здания, что при необходимости дает возможность проводить
капитальный ремонт системы вентиляции без ущерба для помещений.
В южных регионах для организации естественного притока могут быть
применены окна со специальным устройством забора воздуха [107]. В этом
случае (рис. 3.2) наружный воздух,
Рис.3.2. Схема организации возпротекающий между стеклопакетами,
духообмена с использованием
нагревается как посредством солнечконструкции окна, перепусной энергией, так и трансмиссионным
кающей подогретый приточтепловым потоком через окна, наный воздух
правленным в окружающую среду.
Следует так же отметить, что определенная доля солнечной радиации
утилизируется при обустройстве зданий вентилируемыми окнами (рисунок
3.3). Такая конструкция светопрозрачных ограждений позволяет снизить потребление энергии системами обеспечения микроклимата в отопительный сезон и в летние месяцы. В отличие от традиционных стеклопакетов с замкнутой прослойкой, заполненной инертным газом, вентилируемые окна, состоящие из трехслойного стеклопакета в наружном переплете и одинарного остекления во внутреннем переплете, имеют в нижней и верхней частях щелевые отверстия. Через узкое входное отверстие в переплете внутренний воздух
попадает в пространство между стеклами, где поглощает значительную часть
тепла солнечной радиации. Вследствие этого, они выполняют функции солнечных коллекторов, позволяя утилизировать излучение для поддержания
требуемых температурных режимов или аккумулирования.
30
Рис. 3.3. Схема воздухообмена в помещении с использованием вентилируемых окон и обустройстве каналов в строительных
конструкциях: 1 – светопрозрачное вентилируемое ограждение; 2 – воздуховод; 3 –аккумулятор теплоты и холода; 4
– приточная установка; 5 - теплоутилизатор; 6 – перекрытие с сооруженными в нем каналами
При применении пассивных солнечных систем отопления здания должны иметь улучшенную тепловую изоляцию и удовлетворять современным
требованиям энергоэффективности, поэтому для снижения теплопотерь в
ночное время в конструкции светопрозрачных ограждений необходимо также
предусматривать теплоизоляционные экранирующие устройства (щиты, жалюзи и т.п.).
Устанавливая традиционные стеклопакеты с энергетической проницаемостью, можно обеспечить лучшее проникновение в помещения солнечной
радиации, а, увеличивая площадь остекления, можно получить не только
пропорциональный подъем температуры внутреннего воздуха в световое
время суток, но и рост теплопотерь при повышенной облачности и в ночное
время суток холодного периода года. При проектировании следует также
учитывать, что интенсивность нагрева помещений тем ниже, чем больше
площади поверхностей воспринимающих тепло строительных аккумулирующих конструкций по отношению к светопрозрачным ограждениям.
Наряду с окнами и остекленными строительными конструкциями южного фасада, для улавливания солнечного излучения целесообразно устанавливать стеклопакеты специального назначения в кровле и дополнительные окна
в верхней части здания, которые повышают уровень комфортных условий в
результате исключения прямого попадания излучения в рабочую зону. Кроме
того, для регулирования поступлений солнечной радиации в помещения, что
особенно требуется в теплый период года, возможно применение новых технологий, позволяющих получить электрохромное стекло.
31
Обычное силикатное стекло пропускает и частично поглощает большую
часть видимого спектра, незначительно его отражая. Оно не обладает избирательной способностью, и поэтому большая часть длинноволновой инфракрасной радиации поступает в помещения, а также удерживается излучение,
исходящие от поверхностей предметов, находящихся внутри здания. Это
экономит энергию в отопительный период, но увеличивает нагрузку на системы кондиционирования воздуха в летние месяцы. Стеклопакеты с регулируемыми светопропускными способностями позволяют создать оптимальную
комбинацию уровня естественного освещения и поступления теплоты в помещение от солнечной радиации в зависимости от времени года, что способствует повышению энергоэффективности здания.
Существует два типа покрытий для производства смарт-окон с изменяющимися пропускными способностями: жидкокристаллическое, переходящее из прозрачного в полупрозрачное состояние, и фотохромное, затеняющееся под воздействием солнечного излучения. Первое покрытие получают при использовании окисей металлов, а второе - с нанесением взвешенных частиц (Suspended particle devices – SPD). Эти способы регулирования
поступлений солнечной радиации в помещения существенно отличаются
друг от друга по компонентам покрытий, производительности, методам
управления и уровню коммерциализации.
Электрохромные технологии используют пятислойное нанесение оксидов металлов [183], заключенное между двумя листами стекла. Покрытие
выполняется методом вакуумного напыления и имеет следующую структуру
слоев: проводящий; содержащий положительно заряженные ионы (бесцветный оксид металлического лития); проводник (электролит); электрохромный
(отрицательно заряженный оксид вольфрама); проводящий. При подаче напряжения положительно заряженные ионы лития переходят через проводник
(электролит) в электрохромный слой, где они, вступая в реакцию с оксидом
вольфрама, образовывают вольфрамат лития. В этом процессе компенсационный электрон проходит по цепи из слоя с ионами в электрохромный слой.
Вольфрамат лития поглощает световой поток в ходе протекания реакции, покрытие темнеет, а теплота, полученная от солнечного излучения, передается
в основном от стекла наружному воздуху. При смене полярности происходит
обратная реакция и остекление принимает прозрачное состояние. Пропуская
способность смарт-окна при необходимости обеспечивает поступление видимой части спектра солнечного излучения от 62 %, а при полном затемнении до 3,5 % [183]. Для управления пропускной способностью предусматирвается автоматическая или ручная регулировка. На питание и управление
светопрозрачным ограждением площадью 140 м2 затрачивается электроэнергии в дневные часы меньше 50 Вт. В полностью прозрачном состоянии смарокна не потребляют электроэнергию.
Однако возможности широкого применения элетрохромного стекла ограничиваются скоростью перехода из одного состояния в другое, а также высокой стоимостью покрытий. Время перехода смарт-окна из прозрачного в
32
матовое для небольшой его площади может достигать пяти минут, при этом
происходит неравномерное затемнение от краев к центру. Для витражного
исполнения, а также при низкой температуре наружного воздуха временной
интервал изменения пропускной способности увеличивается, что в конечном
итоге приводит к снижению эффективности управления только до двух пограничных состояний: прозрачное и полностью затененное.
Окна по технологии SPD выполняются двухслойными из стекла или
прозрачного полимера с пленочным проводящим покрытием внутренних поверхностей. Покрытие состоит из взвешенных нано-частиц, химический состав которых специально разработан в соответствии с требуемыми условиями затенения. Частицы в покрытиях имеют разнонаправленное положение и
поэтому не пропускают до 99,75 % солнечного излучения [183]. Под воздействием переменного тока на проводящие слои взвешенные частицы ориентируются по электрическому полю, пропуская солнечную радиацию. Изменяя
напряжение можно плавно регулировать пропускную способность смартокна в кратчайший временной 1-3 с до практически полностью затемненного
состояния. Количество взвешенных частиц в проводящих пленках определяет пропускную способность светопрозрачного ограждения. Эта величина в
зависимости от предъявляемых требований может быть в диапазоне от 1 до
50 %. SPD-стеклопакет не потребляет электроэнергию в состоянии полного
затенения, а затраты на периорентацию взвешанных частиц минимальны и не
превышают 10 Вт.
Применение смарт-технологий, не смотря на их высокие стоимостные
показатели, позволит осуществлять регулирование процессов прямого улавливания солнечной радиации помещениями, повышая тем самым эффективность использования полученной теплоты.
Из приведенных выше способов организации пассивного солнечного
отопления можно выделить три основных типа гелиосистем данного класса:
I. с прямым улавливанием солнечного излучения, поступающего в помещение через светопрозрачные ограждения высокой пропускной способности;
II. с косвенной утилизацией солнечной энергии посредством нагревания
аккумулирующих строительных конструкций южного фасада, закрытых
остеклением в соответствии с архитектурными решениями здания;
III. с косвенной утилизацией и с циркуляцией нагреваемого воздуха от поглощающих излучение структур до аккумуляторов, использующих теплоту фазового перехода или высокую теплоемкость материалов.
Кроме того, могут использоваться комбинированные системы, включающие в свою пассивную структуру активные элементы, повышающие степень поглощения и преобразования излучения.
Прямое улавливание светового потока может быть эффективным при
выполнении следующих условий при проектировании:
 оптимальное расположение здания на местности должно быть вдоль оси
восток-запад или с отклонением не более 30о от этой оси;
33
 южный фасад здания должен содержать 50-70 % окон от их общей площади с однокамерными стеклопакетами высокой пропускной способности; на северном фасаде площадь двухкамерных светопрозрачных ограждений должна быть минимальной;
 наружные ограждения сооружения должны иметь качественную тепловую изоляцию, низкие показатели теплопотерь вследствие инфильтрации и высокую аккумулирующую способность внутренних строительных конструкций;
 при проектировании зданий жилые комнаты следует располагать с южной стороны;
 для остеклений южного, юго-восточного, юго-западного, восточного и
западного фасадов зданий следует предусматривать мобильные средства
экранирования с теплоизолирующим эффектом.
КПД пассивной системы отопления, как правило, составляет 25-30 %, но
в особо благоприятных климатических и технических условиях может быть
значительно выше и достигать 60 %. Существенным недостатком такой системы являются большие суточные колебания температуры воздуха внутри
помещений. Поэтому пассивные системы отопления целесообразно использовать в переходные периоды года, а в зимние месяцы они позволяют снизить тепловую нагрузку на традиционные энергоисточники.
Для повышения эффективности пассивной утилизации целесообразно
увеличивать размеры окон, что наряду с получением дополнительной теплоты позволит обеспечить помещения естественным дневным освещением, сокращающим потребление электроэнергии. При монтаже значительных площадей светопрозрачных ограждений необходимо устанавливать дополнительную теплозащиту с экранирующим эффектом, которая в последствии позволит в холодный период года при слабом потоке солнечного излучения или
при его отсутствии сократить потери теплоты, а в теплый период предотвратить интенсивное нагревание внутреннего воздуха помещений.
Предлагаемые мероприятия по солнцезащите при значительных площадях светопрозрачных ограждений направлены на то, чтобы уменьшить нарушения микроклимата, которые выражаются в перегреве внутреннего воздуха
помещений, в сильной контрастности, яркости или блесткости, возникающих
под воздействием прямого и рассеянного излучения. Блесткость проявляется
чаще всего при низком положении Солнца, соответствующем углу склонения
30о, но при этом прямые лучи полностью не должны экранироваться.
Для уменьшения теплопоступлений в помещения в летние месяцы можно использовать любые солнцезащитные средства, которые экранируют излучение предпочтительно перед проходом его через остекление без особо
сильного собственного нагрева. Поэтому наиболее эффективны располагаемые снаружи отражающие устройства, в том числе и смарт-стекло.
Системы такой защиты должны выполнять следующие функции:
I. предотвращать повышение температуры внутреннего воздуха в летний
сезон;
34
II. защищать восприятие людей, находящихся в помещениях, от блесткости, возникаемой при воздействии на поверхности прямого солнечного
излучения и рассеянного от небосвода;
III. для обеспечения равномерности освещенности помещений снижать контраст яркостей между затененными поверхностями и предметами, находящимися в зонах воздействия прямой радиации.
Все эти функции выполняют поворотные вертикальные пластины – жалюзи. Их применение не только уменьшает тепловую нагрузку на традиционную систему отопления при низкой интенсивности солнечного излучения
и в ночное время суток, но и сокращает в теплый период года холодопроизводительность систем кондиционирования, создающих оптимальные параметры внутреннего воздуха помещений.
Разработка и применение эффективных, простых в обслуживании, подвижных экранирующих теплозащитных устройств для окон зданий позволит
контролировать поступление солнечного излучения в теплый период года и
максимально его использовать в зимнее время для компенсации теплопотерь
в сооружениях, что в конечном итоге обеспечит более широкое территориальное распространение пассивных систем отопления.
Уровень компенсации лучистой энергией в тепловой нагрузке систем
отопления зависит от свето- и теплотехнических показателей строительных
материалов наружного ограждения. Поэтому при проектировании гелиоактивных конструкций следует учитывать их трансмиссионную способность
для утилизации солнечной радиации.
Наружные стены, имеющие фасадное светопрозрачное ограждение (рис.
3.4), позволяют использовать наиболее доступный способ прямого улавливания солнечной энергии и ее передачи потребителю для поддержания параметров микроклимата помещений с минимальными затратами на традиционное отопление зданий. Влияние возникаемого в этом случае теплового процесса на сокращение потерь можно оценить при допущении, что поглощающая способность остекления мала, и преодолевшее его излучение поступит
на поверхность несущей строительной конструкции, повышая ее температуру.
Для стационарных условий плотность теплового потока, проходящего
через такое наружное ограждение (рис. 3.4), можно представить в следующем виде
Q t В  t ВП 

,
A
RВ
Q t ВП  t П 
,

A
R
t  t 
Q
 d СО  a  I П  П СО ,
A
RВП
Q t СО  t НП 

,
A
RСО
(3.1)
(3.2)
(3.3)
(3.4)
35
Q t НП  t Н 
,

A
RН
(3.5)
где Q – тепловой поток, Вт; А – площадь ограждения, м2; dСО – коэффициент
пропускания светопрозрачного ограждения; а – коэффициент поглощения
несущего слоя строительной конструкции; IП – солнечная радиация поступающая на вертикальную поверхность ограждения, Вт/м2; tВ, tВП, tП, tСО, tНП,
tН – температуры, соответственно, внутреннего воздуха, на внутренней поверхности ограждения, на поверхности несущего слоя, подвергаемой воздействию солнечной радиации, на поверхности остекления со стороны воздушной прослойки, на наружной поверхности ограждения и наружного воздуха,
о
С;
RВ 
1
В
- сопротивление теплоотдаче внутренней поверхности,
(м2оС)/Вт; В - коэффициент теплоотдачи к внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м2оС); R 


, RСО  СО - термические сопротивСО

ления слое, соответственно, несущей конструкции и светопрозрачного,
(м2оС)/Вт; , СО - толщина слоя несущего и светопрозрачного, м; , СО коэффициенты теплопроводности материалов строительной конструкции,
Вт/(м.оС);
RВП
- термическое сопротивление воздушной прослойки,
(м2оС)/Вт; RН 
1
Н
- сопротивление теплоотдаче наружной поверхности ог-
раждения, (м2оС)/Вт; Н – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности
ограждающей конструкции; Вт/(м2оС).
Рис. 3.4. Схема гелиоактивного наружного ограждения: 1 – остекление; 2 - воздушная прослойка; 3 – несущий слой строительной конструкции
После несложных преобразований и с учетом коэффициента теплопередачи получим зависимость
Q
 t Н  t П   K  d СО  a  I П  K  RВП ,
A
(3.6)
36
где
K – коэффициент теплопередачи, равный K 
1
RВ  R  RВП  RСО  RН
,
Вт/(м2оС).
Так как произведение s  K  R является коэффициентом пропускания
поглощенного тепла [164], то выражение (6) будет иметь вид
Q
 t Н  t П   K  d СО  a  s  I П
A
(3.7)
Рассмотрим влияние поглощения солнечной радиации строительными
конструкциями на тепловую нагрузку здания с учетом их южной ориентации
и для климатических условий г. Ростова на Дону. Пусть наружное ограждение (рис. 3.5) имеет теплозащитный стеклопакет с высокой пропускной способностью для солнечной радиации [134] и воздушную прослойку, с установленными в ней автоматическими подвижными жалюзями, выполненными
из фольгированного пенофола с коэффициентом теплопроводности 0,031
Вт/(м.оС). Основной несущий слой представляет собой кладку из силикатного
кирпича, который имеет коэффициент поглощения солнечной радиации равный 0,6.
Рис. 3.5. Вид сверху гелиоактивной наружной стены снабженной
подвижными жалюзями: 1 – однокамерный стеклопакет; 2
– жалюзи из фольгированного теплоизоляционного материала; 3 – силикатный кирпич
Учитывая современные требования к тепловой защите зданий [91] для
данного климатического района сопротивление теплопередачи наружных
стен должно быть не менее 2,44 (м2оС)/Вт - для жилых, 2,09 - общественных и 1,6 - производственных зданий. В ночное время суток закрытые жалюзи из фольгированного пенофола толщиной 10 мм позволяют обеспечить
этот норматив для общественных сооружений при кирпичной кладке в 510
мм. Но в дневное время суток, даже в самый холодный месяц солнечное излучение благодаря такой конструкции будет проникать в ее структуру, нагревая несущий слой. Это подтверждается результатами расчетов, выполненными в соответствии с (6, 7) и представленными на рис. 3.6. Зависимости 3,
4, 5 (рис. 3.6) получены при среднем потоке солнечной радиации в январе
37
[90] с учетом действительной облачности климатического района и для теплозащитного остекления, имеющего коэффициент пропускания излучения
равный 0,55 [134]. Безусловно, в тепловых процессах заметно влияние окраски несущего слоя, которая позволяет повысить поглощение солнечной радиации до 0,7 при силикатном темно-сером покрытии и до 0,9 при черном.
Необходимо отметить, что, используя новые технологии, в том числе и
нано уровня, можно добиться повышения пропускной способности светопрозрачного ограждения, и тогда, как показано на рис. 3.6, уже при обеспечении
dСО=0,8 теплопотери полностью компенсируются, а избыток теплоты может
быть аккумулирован в строительных конструкциях для последующего использования в ночное время суток. Но даже обычный силикатный кирпич,
также в дополнении покрытый силикатной темно-серой краской позволят сократить теплопотери относительно современных требований по теплозащите
для климатических условий г. Ростова на 16-26 % (рис. 3.7). При уменьшении
толщины несущего слоя до 380 мм с целью сокращения капитальных затрат и
тех же параметрах эксплуатации поступления от солнечной радиации позволят компенсировать теплопотери на 3-14 %.
Рис. 3.6. Тепловой поток через 1 м2 наружной стены при среднемесячной температуре января для климатических условий г.
Ростова на Дону в зависимости от толщины кирпичной
кладки; 1, 2 – теплопотери, соответственно, при открытых
и закрытых жалюзях; 3 – теплопоступления от солнечной
радиации при пропускной способности стекла 0,55 и
кладке из силикатного кирпича; 4 – тоже, при окрашивании несущего слоя силикатным темно-серым покрытием;
5 – тоже, при окрашивании черным цветом; 6 – теплопоступления от солнечной радиации при пропускной способности стекла 0,8 и при окрашивании силикатного кирпича черным цветом
38
Изменения теплового потока, проходящего через гелиоактивные наружные ограждения (рис. 3.6) показывают, что для повышения эффективности
пассивного использования солнечной энергии снижение коэффициента теплопередачи в соответствии с современными требованиями по тепловой защите зданий не рационально, так как это сопровождается уменьшением теплопоступлений от солнечной радиации. Для эффективного улавливания большего диапазона спектра следует применять строительные материалы с высокими показателями по светотехническим и поглощающим свойствам, а также
мобильные средства с теплоизолирующим и отражающим эффектами, создающими дополнительное сопротивление тепловому потоку при неблагоприятных погодных условиях. Только обеспечение регулирования пропускной
способности светопрозрачных ограждений и теплозащитных свойств, включая аккумулирующую способность строительных конструкций, усиленную
дополнительными прослойками с активными компонентами, можно добиться
значительного сокращения потребляения энергоресурсов зданиями.
Рис. 3.7. Компенсация нормативных теплопотерь за счет утилизации
солнечного излучения в климатических условиях Ростова
на Дону при различной толщине кирпичной кладки; 1 –при
пропускной способности стекла 0,55 и силикатном кирпиче; 2 – тоже, при окрашивании несущего слоя силикатным
темно-серым покрытием; 3 – тоже, при окрашивании черным цветом
Следует отметить, что пассивная утилизация солнечной энергии нашла
также широкое применение в южных регионах при производстве строительных материалов. Производя термообработку изделий в естественных условиях полигонов при минимальных затратах на остекление мест их размещения,
39
можно достичь высокой экономии энергоресурсов, а также ликвидировать
дефицит данной продукции, возникающий именно в теплый период года. Используя же более эффективные укрытия с хорошей тепловой изоляцией,
можно значительно сократить не только энергопотребление, но и сроки выпуска строительных материалов.
Несмотря на указанные преимущества данного способа термообработки,
в средней полосе России этот процесс осуществляют традиционными методами пропаривания, полагая, что солнечной радиации будет недостаточно.
Очевидно, что применение гелиополигонов целесообразно не только в указанных климатических условиях, но и в более северных широтах.
3.2.
Активные системы солнечного теплоснабжения
Большой практический интерес к обогреву помещений и получению горячей воды за счет солнечной радиации обусловлен тем, что в странах с развитой экономикой около 30-40 % производимой энергии потребляется при
температуре теплоносителя до 100 оС. Получить тепло таких параметров
можно с помощью плоских солнечных коллекторов, работающих по принципу тепличного эффекта при прямой абсорбции излучения, а главное не требующих высокотехнологичных и поэтому дорогих систем слежения за Солнцем.
Основным конструктивным элементом гелиоустановки является коллектор, в котором происходит улавливание солнечной энергии, ее преобразование в теплоту и нагрев воды, воздуха или какого-либо другого теплоносителя. Существуют два типа солнечных коллекторов: фокусирующие и плоские.
В первом случае создаются условия для увеличения плотности потока солнечной радиации, попадающей на воспринимающий элемент, что позволяет
нагреть теплоноситель свыше 300 оС. Для этого устанавливают не только
концентраторы, но и системы слежения за солнцем. Второй тип коллекторов
(рис. 3.8, 3.9) не требует фокусирования излучения, и поэтому обладает простотой исполнения и наиболее распространен.
Поглощающая панель плоских коллекторов состоит из пластин, имеющих надежный контакт с трубами или каналами, что в совокупности образует
единый конструктивный элемент – абсорбер, выполненный из металла с высокой теплопроводностью, а именно из стали, алюминия или меди. Для лучшего улавливания солнечного излучения воспринимающая поверхность абсорбера должна иметь покрытие черного цвета или специальное селективное,
наличие которого позволяет максимально поглощать радиацию и минимизировать тепловые потери коллектора. Сверху абсорбер закрыт светопрозрачным ограждением, выполненным в виде одного или двух слоев стекла или
стойкого к воздействию ультрафиолета полимера и пропускающего длинноволновое излучение.
40
Солнечное излучение, падающее на прозрачное покрытие
коллектора, с незначительной
долей отражения поступает на
абсорбер, где при поглощении
нагревает его с минимальным
собственным излучением в окружающую среду, тем самым
создавая тепличный эффект. Так
как энергоемкость солнечного
излучения в основном сосредоточена в спектральном диапазоне
0,4-1,8 мкм, то в качестве светопрозрачного ограждения используется стекло, пропускающее
Рис. 3.8. Плоский солнечный коллек- указанные
электромагнитные
тор: 1 – направление солнечного волны с коэффициентом 95 %.
излучения; 2 – светопрозрачное Коэффициент поглощения поограждение; 3 – корпус; 4 – пог- крытия абсорбера, как правило,
лощающая пластина; 5 – тепло- составляет 90 %, что способствувая изоляция; 6 – уплотнение ет нагреванию до 50-80 оС даже
крепления для остекления; 7 без применения остекления. Насобственное излучение коллек- гретое до таких температур тело
тора
излучает тепловую энергию в
основном в инфракрасном диапазоне.
Стекло для инфракрасного излучения, в данном случае исходящего от
абсорбера, обладает низким коэффициентом пропускания, поэтому в плоских
солнечных коллекторах наблюдается тепличный эффект, заключающийся в
накоплении энергии и, соответственно, в увеличении температуры поглощающей панели до 160 оС, если полученная теплота не выводится из устройства теплоносителем.
В средней полосе Европы в летние месяцы производительность каждого
квадратного метра поверхности абсорбера плоских коллекторов может достигать 50-60 литров воды в день с температурой 60-70 оС. При этом КПД
солнечного коллектора составляет около 70 % и зависит от температуры окружающей среды, плотности потока солнечной энергии и температуры, до
которой подогревается теплоноситель. КПД увеличивается при возрастании
первых двух параметров и при уменьшении температуры нагрева, но так как
ее стандартная величина должна быть не ниже 45 оС, то этим показателем
существенно повлиять на эффективность утилизации не представляется возможным.
41
б
а
в
Рис. 3.9. Вакуумный солнечный коллектор: а –общий вид; б – схема
вакуумной трубки; в – вакуумные термотрубки коллектора
На рис. 3.10 показаны различные принципиальные схемы конструктивного исполнения жидкостных и воздушных коллекторов [24, 34, 81, 103,
177]: а, б – с трубами для теплоносителя, соответственно, закрепленными под
абсорбером посредством сварки и припаянными пластинами; в – со штампованной поглощающей панелью; г – вакуумированный стеклянный трубчатый
коллектор; д – с плоским абсорбером; е, ж – с ребристым и гофрированным
абсорберами; з – с наполовину зачерненными стеклянными пластинами; и –
пористая или сотовая поглощающая панель.
Максимальная температура, до которой можно нагреть циркулирующий
теплоноситель в плоском жидкостном коллекторе, не превышает 100 оС. К
числу принципиальных преимуществ такого коллектора по сравнению с другими устройствами данного назначения относится его способность улавливать как прямую, так и рассеянную солнечную радиацию, поэтому возможна
его стационарная установка без применения дорогостоящих средств слежения за Солнцем.
Вакуумные коллекторы (рис. 3.9) имеют более высокий КПД по сравнению с рассмотренными плоскими поглощающими панелями, так как они состоят из стеклянных трубок диаметром около 50 мм и расположенными в них
пластинами с припаянными медными трубками для теплоносителя. Часто поверхности пластин имеют гелиотитановое покрытие, обеспечивающее высо-
42
кое поглощение солнечной радиации и низкое собственное инфракрасное излучение. Кроме того, созданный в стеклянных трубках вакуум предотвращает конвективный теплообмен с окружающей средой. Все перечисленные факторы позволяют увеличить КПД и создать рабочие параметры эксплуатации,
поэтому температура стагнации в устройствах данного вида превышает 200
о
С.
а
г
ж
б
д
з
в
е
и
Рис. 3.10. Схемы фрагментов солнечных коллекторов с жидкостью
(а-г) и воздухом (д-и) в качестве теплоносителя: 1 – светопрозрачное ограждение; 2 – тепловая изоляция; 3 –
направление потока воздуха перпендикулярное плоскости
разреза фрагмента коллектора; 4 – светопрозрачные пластины; 5 – зачерненное покрытие; 6 – ребристая поглощающая панель; 7 – вакуумированная стеклянная труба; 8,
9 - входная и выходная трубы
Как правило, из 15-30 вакуумных трубок собирается коллектор площадью, соответственно, 1,5-3 м2. Однако, при всех перечисленных преимуществах стоимость таких устройств превышает более чем в 2 раза коллекторов с
плоским абсорбером при одинаковой суммарной площади поглощающих по-
43
верхностей. Так же значительны затраты на текущие и ремонтные работы,
так как после снегопада необходима очистка поверхности трубок, а также
при их повреждении требуется полная замена.
Вакуумные коллекторы могут быть выполнены с применением термотрубок (рис. 3.9), помещенных в двойные стеклянные трубки. Термотрубка
представляет собой закрытую медную трубку с небольшим содержанием
легкокипящей жидкости. Под воздействием солнечного излучения жидкость
испаряется, и пары поднимаются в верхнюю часть трубки – головку, где конденсируются, отдавая теплоту в приемнике коллектора воде или незамерзающей жидкости, направляемых в системы горячего водоснабжения или
отопления. Охлажденный конденсат стекает по термотрубке вниз, где вновь
нагревается. Приемник солнечного коллектора обычно выполнен из металла
с полиуретановой изоляцией и закрыт листом из нержавеющей стали. Благодаря передаче теплоты через головки основной контур отделен от трубок, что
позволяет при повреждении одной или двух, трех стеклянных трубок полноценно эксплуатировать коллектор. Процедура замены неисправных трубок
очень проста, но это более технологически сложный и дорогой тип коллектора.
При использовании фокусирующих оптических устройств (рис. 3.11),
достигается повышение плотности потока солнечного излучения, направляемого на поглощающую поверхность. Используемые для этих целей плоские,
параболоидные или параболоцилиндрические зеркала изготовляют из материалов с высокой отражательной способностью, а линзы – из стекла или светопрозрачных полимеров. Фокусирующие коллекторы, требующие специального механизма слежения за Солнцем, обычно применяют там, где необходимо получать высокие температуры. Это характерно для печей, солнечных электростанций и т.п. В системах теплоснабжения зданий они практически не используются, и, поэтому для нагревания теплоносителя, направляемого в системы отопления и горячего водоснабжения, применяют в основном
плоские солнечные коллекторы, в том числе и вакуумные.
Так как поступление солнечной энергии и изменение нагрузок в системах теплоснабжения зданий имеют временное несоответствие в количественных и качественных показателях, то данное обстоятельство вызывает необходимость применения средств, обеспечивающих сохранение избыточной
теплоты, полученной от возобновляемого источника. Климатические условия
в регионах таковы, что максимальное теплопотребление системами отопления наблюдается в декабре и январе при минимальной продолжительности
светового дня, поэтому для наиболее полного покрытия нагрузок солнечной
энергией целесообразно в теплый период года ее утилизировать больше, чем
требуется, а избыток теплоты сохранять в соответствующих устройствах.
Процессы аккумулирования могут протекать на основе накопления явной, скрытой теплоты или энергии обратимых реакций. Используемые для
этой цели устройства характеризуются удельной и абсолютной энергоемкостью, мощностью тепловых потоков при зарядке и передачи энергии потре-
44
бителю при ее дефиците, продолжительностью хранения (краткосрочное – от
6-12 ч до 10 суток, долгосрочное - от 10 дней и до нескольких месяцев), диапазоном температур, прогнозируемыми потерями теплоты, капитальными и
эксплуатационными затратами. Устройства хранения, как правило, включают
резервуар с изоляцией корпуса, теплоаккумулирующий материал и при необходимости разделительную поверхность теплообмена. В жидкостных системах солнечного теплоснабжения в основном используются баки с горячей
водой, а в воздушных - резервуары с галькой или другими твердыми материалами. При суточном аккумулировании теплоты удельный объем бака
принимается равным 0,05-0,15 м3 [24, 34], а для галечного аккумулятора при
установке воздушных коллекторов - 0,15-0,35 м3 [24, 34] на 1 м2 площади поверхности абсорбера.
а
б
Рис. 3.11. Фокусирующие солнечные коллекторы: а – параболический; б – параболоцилиндрический; 1 – солнечное излучение; 2 –элемент, поглощающий солнечную энергию; 3 –
зеркальный концентратор; 4 – привод системы слежения;
5 – трубопроводы для теплоносителя
Следует отметить, что есть достаточно продолжительный опыт эксплуатации водяных солнечных коллекторов, снабженных аккумуляторами в массивах оснований зданий. Так, например, на крыше здания «EKONO-house»,
построенном в Отаниеми (Финляндия) [107], размещены солнечные коллекторы, в которых в летнее время нагревается теплоноситель и направляется в
теплообменник (рис. 3.12). В теплообменнике посредством утилизированной
солнечной энергии нагревается вторичный жидкий теплоноситель и после
подается в полости массивного основания здания. Конструктивное решение
фундаментов позволяет их использовать и как естественный аккумулятор теплоты. При недостаточности по каким-либо причинам утилизированного
солнечного излучения накопленная энергия направляется в теплообменник
для подогрева приточного воздуха. Летом, когда температура грунта ниже
45
температуры наружного воздуха, относительно холодное основание здания
может быть использовано также и для охлаждения внутреннего воздуха помещений.
В соответствии с вышеизложенным, аккумуляторы можно классифицировать по характеристике физико-химических процессов, протекающих при накоплении и расходовании теплоты следующим образом:
 емкостной тип, в котором используется теплоемкость нагреваемого
или охлаждаемого аккумулирующего материала без изменения его
агрегатного состояния (природный
камень, галька, вода, водные растворы солей и др.);
 аккумуляторы фазового перехода,
в которых в основном используется теплота плавления вещества;
 аккумуляторы, выделяющие и поглощающие теплоту при протекании обратимых химических и фоРис. 3.12. Схема аккумулирования
тохимических реакциях.
утилизированной
солнечной
Применение теплоаккумулируюэнергии в массивах оснований
щих материалов фазового перехода
зданий: 1 – солнечные коллектообеспечивает большую удельную
ры; 2 – циркуляционный насос; 3
энергоемкость сохранения, что по– теплообменник для нагревания
зволяет уменьшить массу и объем
приточного воздуха; 4 – теплоэтих установок. Создание аккумуобменник для нагревания втоляторов на основе обратимых реакричного теплоносителя; 5 – акций с управляемым процессом пекумулирующий массив.
рехода из одного состояния в другое позволяет значительно сократить теплопотери в окружающую среду,что в
конечном итоге обеспечит более продолжительное хранение энергии [177].
Выбор типа аккумулятора определяется конкретными климатическими условиями и требованиями, предъявляемыми к системе нетрадиционного теплоснабжения потребителем.
Так как наибольшее распространение получили солнечные установки с
плоскими коллекторами благодаря простоте конструкции, надежности и быстрой окупаемости, поэтому рассмотрим конструктивные особенности данных устройств и систем, созданных на их основе, с часто применяемым аккумулирующим материалом. Водонагревательные установки успешно эксплуатируются в районах с суммарной продолжительностью солнечного сия-
46
ния более 1500 ч в год, что характерно для значительной части территории
РФ.
По принципу работы солнечные водонагревательные системы можно
разделить на два типа: установки с естественной (рис. 3.13, а) и принудительной (рис. 3.13, б) циркуляцией теплоносителя. Все чаще находят применение гелиосистемы, работающие без насоса, так как не потребляют электроэнергию. Особенно это проявляется при использовании воздушных коллекторов. Данные системы характеризуются несложным конструктивным исполнением, высокой эксплуатационной надежностью, минимальными затратами на ремонтные и профилактические работы, а по своей эффективности
уступают установкам с принудительной циркуляцией.
а
б
Рис. 3.13. Принципиальные схемы водонагревательных гелиоустановок с естественной (а) и принудительной (б) циркуляцией теплоносителя: 1 – солнечный тепловой коллектор;
2 – бак–аккумулятор горячей воды; 3 – насос; 4 – смесительный вентиль
Солнечные водонагревательные установки, изображенные на рисунке
3.13, содержат тепловой коллектор и бак-аккумулятор с поступлением в
нижнюю часть холодной воды и с отбором горячей воды из верхней. Гелиосистемы (рисунок 3.13, а) с естественной циркуляцией обладают саморегуляцией, и расход жидкости в них предопределен интенсивностью поступающего солнечного излучения, а также теплотехническими и гидравлическими характеристиками используемого оборудования. Для отопления и горячего водоснабжения крупных объектов гелиоустановки необходимо проектировать с
принудительной циркуляцией теплоносителя. В этих случаях солнечный
коллектор представляет собой большой массив модулей, занимающий значи-
47
тельную площадь, поэтому системы характеризуются высокой теплопроизводительностью.
Если в солнечном коллекторе и баке-аккумуляторе в качестве теплоносителя используется вода, то система горячего водоснабжения выполняется
по одноконтурной схеме, имеющей высокие теплотехнические показатели за
счет сокращения потерь при передаче утилизированной энергии. Для предотвращения замерзания жидкости, заполняющей гелиосистему, часто используется антифриз, который после абсорбера поступает в теплообменник, где передает утилизированную энергию воде, в последствии направляемую потребителю. В этом случае реализуется двухконтурная схема, а при необходимости и многоконтурная. Распределение теплоты на горячее водоснабжение и
отопление в двухконтурной гелиоустановке можно осуществить в соответствии со схемой, представленной на рис. 3.14. Для повышения надежности систем жизнеобеспечения, использующих солнечную энергию, как правило,
применяют резервные источники энергии.
Для экономии энергоресурсов, особенно потребляемых в зимние месяцы, целесообразно внедрять в жилищное строительство комбинированные
гелиотеплонасосные системы. Такое нетрадиционное теплоснабжение объектов позволяет обеспечивать по возможности более полное покрытие потребляемой годовой нагрузки, и оно может быть выполнено с последовательной и
параллельной схемами подключения теплового насоса. В первом случае испаритель теплового насоса получает теплоту от аккумулятора, а во втором
источником теплоты служит окружающая среда.
Рис. 3.14. Схема гелиосистемы отопления и горячего водоснабжения: 1 – солнечный тепловой коллектор; 2 – теплообменник первого контура; 3 – тепловой аккумулятор; 4 – резервный источник энергии; 5 – система отопления здания; 6 - насос; 7 – регулирующий клапан; 8 – теплобменник для горячего водоснабжения; 9 – бак-накопитель горячей воды; 10 – теплообменник-доводчик
48
Возможно применение теплового насоса с двумя испарителями (рисунок
3.14). В этом случае при совмещении испарителя теплового насоса и неостекленного коллектора солнечной энергии с ограждающей конструкцией
здания получается энергоактивная крыша или фасад, которые позволяют использовать не только солнечную энергию, но и явную, а также скрытую теплоту окружающей среды.
Комбинированная система выработки тепла и холода, изображенная на
рисунке 3.15 предполагает применение адсорбционного трансформатора и
грунтового аккумулятора. В летние месяцы в ночное время суток хладоагент
из испарителя теплового насоса поступает в абсорбер. Часть вырабатываемого холода направляется потребителю, а часть аккумулируется. В дневное
время используется холод, аккумулированный в грунтовом хранилище для
кондиционирования помещений. В холодный период оборудование вырабатывает теплоту, необходимую для отопления и горячего водоснабжения здания.
Рисунок 3.16 - Схема комбинированной гелиотеплонасосной системы
отопления здания с использованием теплового насоса с
двумя испарителями: 1 – коллектор солнечной энергии;
2 – аккумулятор теплоты; 3 – насос; 4 – испарители
теплового насоса; 5 – компрессор; 6 – дроссельный
вентиль; 7 – вентилятор; 8 – конденсатор; 9 - здание
49
Рисунок 3.17 - Схема гелиоустановки с сезонным аккумулированием
энергии: 1 - солнечный коллектор; 2 - бак аккумулятор
солнечного контура; 3 - бак-аккумулятор вторичного
контура; 4 - теплообменник; 5, 7 - конденсаторы теплового насоса; 6 - расходный бак; 8 - сезонный аккумулятор теплоты; 9 - испаритель
Применение тепловых насосов в системах солнечного теплоснабжения
позволяет дополнительно использовать низкопотенциальную теплоту грунта
(рисунок 3.18).
В солнечной системе 1 происходит поглощение и аккумулирование полученной теплоты. Солнечный контур, кроме коллекторов, содержит собственный теплоаккумулятор, насосы, регулирующие клапаны, фильтры, теплообменники, контрольно-измерительные устройства и приборы автоматики. В
моноструктурном режиме работы по замкнутой схеме солнечная система 1
используется для отопления. Тепловая энергия может передаваться потребителю непосредственно от бака-аккумулятора, или с использованием трансформатора теплоты - теплового насоса 3, что обеспечивает повышение температурного потенциала теплоносителя на входе к контуру теплового потребителя 4.
В моноструктурном режиме работы грунтовой системы 2 грунтовые теплообменники отбирают теплоту, аккумулированную в грунте, и передают ее
тепловому потребителю 4 на более высоком уровне, что осуществляется с
помощью теплового насоса 3. Биструктурная система теплоснабжения позволяет использовать совместно два разнородных возобновляемых источника
энергии, которые по своим естественным свойствам способны, в случае дефицита, к взаимной компенсации друг друга и некоторому сглаживанию неравномерности теплопотребления.
1
3
4
5
50
Рисунок 3.18 - Принципиальная схема теплоснабжения с использованием солнечной и грунтовой низкопотенциальной энергии:
1 – солнечный источник теплоты; 2 – грунтовой источник
теплоты; 3 – трансформатор температурного потенциала
возобновляемых источников (тепловой насос); 4 – собственно объект-потребитель теплоты (система теплоснабжения); 5 – традиционный источник теплоты
В биструктурном режиме эксплуатации установки (рисунки 3.18, 3.19),
благодаря наличию двух испарителей теплового насоса, создаются благоприятные условия для утилизации низкопотенциальной энергии, которая поступает от двух независимых естественных источников - солнца и грунта. В
этом случае тепловой насос выполняет роль трансформатора теплоты одновременно для обоих источников возобновляемой энергии. Анализ схем комплексных гелиогрунтовых теплонасосных систем показал, что они перспективны как в энергетическом, так и в экономическом отношении и представляют интерес для энергосберегающих технологий. В случае дефицита возобновляемой энергии и недостаточной мощности теплового насоса предусмотрена возможность включения в работу резервного источника традиционной
энергии (дублера) для обеспечения нагрузки теплового потребителя. В качестве дублера может быть принят электрический обогреватель, который
включается в работу в случае дефицита возобновляемой энергии, когда невозможно поддерживать тепловые требования потребителя на надлежащем
уровне.
Учитывая ранее перечисленные преимущества плоских солнечных коллекторов и разнообразие схем их подключения в системах отопления и горячего водоснабжения, они все больше завоевывают российский рынок, но не
такими высокими темпами, которые должны быть при существующем росте
цен на традиционные энергоресурсы. Наибольшее распространение получили данные устройства, производимые следующими предприятиями: НПО
«Машиностроение» (г. Реутов), Ковровский механический завод, «СоларЭн»
(Армения) [23, 180, 185]. Рассмотрим некоторые конструктивные особенности солнечных коллекторов, выпускаемых перечисленными фирмами.
В солнечном коллекторе «Сокол-А», производимом НПО «Машиностроение» и изображенном на рисунке 3.20, корпус и поглощающая панель
выполнены специальными профилями из коррозионно-стойкого алюминие-
51
вого сплава. На тепловоспринимающую панель методом вакуумного напыления нанесено селективное покрытие, имеющее высокую эффективность
преобразования солнечной энергии в тепловую. Основные технические характеристики солнечных коллекторов «Сокол-А», а так же других устройств
данного класса, рассматриваемых ниже, сведены в таблицу 3.1.
Ри-
сунок 3.19 - Схема
системы теплоснабжения с солнечными
коллекторами
и
компрессионным тепловым насосом: 1 - солнечные коллекторы; 2 - система отопления; 3 - горячее водоснабжение; 4 - сточные воды; 5 - насосы; 6 - аккумулятор теплоты; 7 - потребитель теплоты; 8 - тепловой насос; 9 - бак;
10 - теплообменник, установленный в грунте; К - конденсатор; И - испаритель
Устройство АльтЭн-1 (рисунок
3.21), выпускаемое производственной
базой ФГУП «НПО Машиностроение», служит для нагрева воды за
счет солнечной энергии и используется в системах горячего водоснабжения и отопления домов, не имеющих централизованного энергоснабжения. В течение одного солнечного
дня коллектор может нагреть около
150 л воды до температуры 60-70 оС.
Рисунок 3.20 - Солнечный коллектор
«Сокол-А»
42
98
Таблица 3.1
Основные технические характеристики солнечных коллекторов, производимых на территории СНГ
Наименование солнечных коллекторов
Параметры
«Сокол-А»
АльтЭн-1
SECO
СКП-2
Габариты, мм
2007х1007х100
2171х1180х100
2055х1005х95
2000х1000х40
Вес без теплоносите54
33,5
38
58
ля, кг
Удельная масса, кг/м3
27
16,9
19
29
Активная/ общая
1,9/2,5
2,22/2,56
1,95/2,06
1,9/2
2
площадь, м
Внутренний диаметр
12
11
каналов, мм
Максимальное рабо0,7
0,6
0,2
чее давление, МПа
Коэффициент погло0,92-0,95
0,94
0,95
щения абсорбера
Коэффициент излу0,05-0,1
0,05
0,12
чения
Приведенный коэф2,3
фициент теплопотерь, Вт/(моС)
Приведенная оптиче0,72-0,8
ская характеристика
КПД коллектора, %
при 90 оС – 40;
45-68
о
при 70 С – 50
43
Окончание таблицы 3.1
Параметры
«Сокол-А»
Вид прозрачной изо- Стекло листовое заляции
каленное толщиной
4 мм
СКП-2
Сотовый поликарбонат
Пенофол толщиной 5
мм
Алюминиевые про- Медные трубы с Лист сотового полифили с тонкостен- алюминиевыми пла- пропилена
ными
латунными стинами
трубками
150
150
150
60-70
до 65
до 55
99
Материал
тепловой Минеральная вата в
изоляции корпуса кол- нижней части корпулектора
са толщиной 50 мм, в
боковых поверхностях – 25 мм
Материал тепловосСпециальные
пропринимающей панели фили из коррозионно-стойкого алюминиевого сплава
Производительность,
л/день,
при температуре воды,
о
С
Наименование солнечных коллекторов
АльтЭн-1
SECO
Двухслойный ячеи- Специальное
закастый 8 мм поликар- ленное стекло толбонат «Полигаль»
щиной 4 мм с низким
содержанием
железа и текстурированной
поверхностью
Стекловолокно
и
Минеральная вата
духслойный
ячеистый 8 мм поликарбонат «Полигаль»
44
Абсорбер, поглощающий солнечную радиацию, выполнен из алюминиевых профилей с пазами, в которые вставляются и запрессовываются тонкостенные латунные трубки для теплоносителя (рисунок 3.21, б).
Алюминиевые панели имеют также эффективное селективное покрытие,
наносимое на поверхности в вакуумных камерах и характеризующееся высоким коэффициентом поглощения солнечной энергии в видимой и ближней
инфракрасной области спектра и малым коэффициентом излучения в области
спектра, соответствующего тепловому излучению при рабочих температурах
коллектора.
а
б
в
Рисунок 3.21. - Солнечный коллектор АльтЭн-1: а – общий вид;
б – селективное покрытие алюминиевых профилей
с запрессованными латунными трубками; в – торцевая
крышка для герметизации внутреннего объема
Светопрозрачное ограждение, состоящее из двухслойного ячеистого поликарбоната, охватывает абсорбер с передней и боковых сторон. Замкнутые
каналы между слоями поликарбоната препятствуют движению воздуха, что
уменьшает потери тепла в окружающую среду за счет конвекции, а прозрачные боковые стенки обеспечивают попадание солнечных лучей внутрь коллектора даже при больших зенитных углах, не создавая тени на поверхности
абсорбера. Между задней стенкой прозрачного ограждения и тыльной стороной абсорбера находится тепловая изоляция на основе минеральной ваты.
Торцевые крышки (см. рисунок 3.21, в), повторяющие профиль прозрачного
ограждения, обеспечивают герметичность внутреннего объема коллектора.
Солнечные коллекторы SECO (рисунок 3.22) производства «СоларЭн»
(Армения) отвечают современным техническим требованиям в соответствии
со стандартами Евросоюза. В данных установках используются комплектующие немецкого производства, а в Армении осуществляется их сборка.
45
Панель абсорбера, выполненная из медных трубок с пластинами из алюминия, имеет специальное селективное покрытие, которое резко снижает тепловые потери в окружающую среду и увеличивает его эффективность.
В корпус устройства входит рама из
жесткого алюминиевого профиля,
покрытого защитной краской черного цвета, и алюминиевый лист в ее
нижней части. В качестве светопрозрачного покрытия применено специальное закаленное стекло толщиной 4 мм с низким содержанием железа и текстурированной поверхноРис. 3.22. Солнечный коллектор
SECO
стью для увеличения его прочности.
Плоские солнечные коллекторы, производимые Ковровским механическим заводом, имеют габаритные размеры 1000х1000х115 мм и отличаются
от остальных значительным весом, малоэффективной теплоизоляцией и низкой ценой. Абсорбер выполнен из латунных трубок и стальных пластин.
Корпус устройства изготовлен также из тонколистовой стали. В качестве светопрозрачного покрытия применено стекло толщиной 3 мм с минимальным
содержанием железа.
Пластиковые солнечные коллекторы российского производства СКП-2 и
ЦЭФТ (центр энергоэффективных технологий, г. Улан-Удэ) отличались дешевизной и малым весом. СКП-2, характеристики которого указаны в табл.
3.1, в настоящее время не производится. СКП-2 состоит из поглощающей панели, выполненной из листа сотового полипропилена, с приваренными в ее
торцах полипропиленовыми трубками с входным и выходным патрубками.
Кроме использования пластмассового материала для абсорбера существенным отличием от рассмотренных выше конструкций является применение в
качестве тепловой изоляции пенофола, а также сотового поликарбоната для
светопрозрачного покрытия. Весь пакет листов заключен в раму из алюминиевого профиля.
Применение полимерных материалов значительно уменьшает стоимость
коллекторов. Однако солнечная радиация, в частности ее ультрафиолетовая
составляющая, является основным фактором, вызывающим деградацию полимера в атмосферных условиях. Невысокая проникающая способность излучения приводит к тому, что активированные химические реакции (фотолиз,
фотоокисление) развиваются наиболее интенсивно в тонких поверхностных
слоях, толщина которых составляет микроны, и деструкция материала происходит постепенно в течение длительного времени.
46
Каждому полимерному материалу присущ так называемый «спектр активации», то есть длина волны или сравнительно узкая область длин волн,
воздействие которых инициирует заметные изменения в его химическом составе. Так, для полиэтилена эта область ограничена следующими значениями: 318,5-300 нм, а для полипропилена она составляет 370 нм [85, 156].
Когда тепловоспринимающая панель накрыта сверху прозрачным покрытием, необходимо учитывать его пропускательную способность в ультрафиолетовой части спектра. Если стекло содержит 50 % Fe2O3, то его структура полностью не пропускает излучение с длиной волны =300 нм и
=318,5 нм и сквозь него проходит 55 % излучения с =370 нм. При содержании 2 % Fe2O3 светопрозрачное покрытие пропускает до 40 % излучения с
=300 нм, 60 % - с =318, 5 нм и 80 % - с =370 нм [35]. Таким образом,
стекло значительно снижает воздействие солнечной радиации на пластмассовый материал в области «спектра активации», но в этом случае особое значение приобретает его термостойкость, поскольку рабочая температура теплоносителя может достигать 95 оС, а равновесная – 140-160 оС.
С теплотехнической точки зрения наиболее подходящим полимером для
абсорбера является теплоэлектропроводный полипропилен. Его теплопроводность в зависимости от процентного содержания графита составляет
от 1 до 2 Вт/(м·оС), а термостойкость достигает 160 оС. Он также имеет высокую поглощательную способность 0,95-0,97 при степени черноты соответственно 0,92-0,87, что достигается без окрашивания. Поэтому для изготовления
солнечных коллекторов широко применяют этот полимерный материал. К
перспективным следует также отнести стеклопластики на основе стекловолокна и полипропилена.
Конструкция абсорбера, выполненная из металлических листов и полимерных труб, на первый взгляд должна иметь высокий показатель теплосъема с 1 м2 панели. Но как показали результаты испытаний [35], у нее есть существенный недостаток – значительный температурный перепад на границе
полимер – труба при любом типе механического соединения. Приемлемые
значения перепада, находящиеся в пределах 2 оС, возможны лишь в случае
вплавления металлической пластины в стенку трубы, что, несомненно, усложняет технологию изготовления абсорбера, поэтому такие конструкции
крайне редко применяются.
В мировой практике существует достаточно много конструкций солнечных коллекторов с полимерными поглощающими панелями. В основном они
выполняются методами экструзии трубчатого профиля, формования с последующей сваркой дух полимерных листов и экструзионно-выдувного формования.
Способ изготовления за счет экструзии трубчатого профиля позволяет
получить плиты полимера, пронизанные каналами, параллельными друг другу. Наружные поверхности плит имеют плоскую или волнообразную форму в
зависимости от конфигурации сечения каналов (квадратные или круглые со-
47
ответственно). Плиты горячей или ультразвуковой сваркой соединяются со
сборными гидравлическими коллекторами, имеющими отформованную щель
вдоль продольной оси. Такие солнечные коллекторы производятся фирмами
«Ramada Energy Systems Inc.», «Sunhouse Inc.» (США) и др.
Абсорбер из двух полимерных листов выполняют следующим образом:
листы нагревают до заданной температуры и прокатывают между валками,
обеспечивающими образование между ними в конечном итоге полых каналов. В результате получают панель заданных размеров, внутри которой имеется канал для прохода теплоносителя. Такая технология применяется фирмой «Unified Technologies Inc.» (США).
Рассмотренные способы изготовления абсорберов позволяют их получать неограниченной длины и поставлять свернутыми в рулон.
Экструзионно-выдувное формование теплопоглощающей панели заключается в изготовлении на экструдере рукава из полимерного материала, который в размягченном состоянии подается в раздвинутую раздувную форму из
двух матриц внутренними стенками в форме поверхностей абсорбера, которые сжимаются вместе с рукавом. После охлаждения матрицы раздвигают и
готовую тепловоспринимающую панель извлекают. Такую технологию применяет фирма «Solarol Inc.» (США). Метод выгодно отличается от остальных
тем, что в результате одной операции получается абсорбер вместе с присоединяемыми штуцерами, но недостатком его является ограничение размеров
выпускаемой продукции.
В России в основном применяется экструзионно-выдувной метод. Для
изготовления абсорберов «рулонным» способом необходимы новые технологические разработки, которые позволяют освоить производство теплопоглощающих панелей из полимерных материалов в промышленном масштабе.
Это существенно расширит номенклатуру выпускаемого оборудования и повысит экономическую эффективность систем солнечного теплоснабжения.
Представленные в п. 3.2 солнечные коллекторы позволяют оценить уровень их конструктивного исполнения и спрогнозировать их дальнейшее развитие в этом научно-техническом направлении при неуклонном возрастании
спроса на нетрадиционные энергоресурсы.
3.3.
Повышение эффективности гелиотехнических
устройств
Эффективное использование солнечной энергии для решения вопросов
энергосберегающей эксплуатации сооружений предполагает в основном
применение активных гелиосистем. Но их реализация в средней полосе России и в более северных широтах вызывает возрастание срока окупаемости
капитальных затрат. Чтобы обеспечить широкое распространение данного
вида нетрадиционного теплоснабжения, необходимо разрабатывать конст-
48
рукции солнечных коллекторов, доступные с точки зрения цены и имеющие
достаточно продолжительный срок безотказной эксплуатации.
Внедрение коррозионно-стойких металлов для массового производства
солнечных коллекторов ограничивается их высокой стоимостью, а использование специальных защитных покрытий сопряжено с рядом трудностей, возникающих при нанесении на внутреннюю поверхность каналов. Поэтому в
настоящее время активно ведутся разработки новых конструкций из теплостойких и стойких к ультрафиолету пластмассовых материалов, стоимость
которых ниже в 1,5-2 раза по сравнению с установками из стали, цветных металлов и стекла. Полимеры такого качества позволят минимизировать удельную материалоемкость систем гелиотеплоснабжения, что уменьшит нагрузку
на несущие конструкции, а также сократит затраты на транспортировку и
монтажные работы.
Самой ненадежной частью любого солнечного коллектора является светопрозрачное листовое покрытие из-за угрозы его разрушения при соответствующих погодных условиях и значительного загрязнения при длительной
эксплуатации. Чтобы усилить этот конструктивный элемент целесообразно
использовать структурное стекло, неармированное или армированное методом непрерывного профиля [34]. Гофрированное остекление широко используется при решении задач пассивного солнечного отопления в промышленных и гражданских зданиях. Такое светопрозрачное покрытие не только
меньше стоит, чем листовое, но и обладает существенными преимуществами,
а именно большим сроком службы и относительно меньшей загрязняемостью
при одинаковых условиях эксплуатации. Кроме того, при соответствующей
обработке его поверхности можно сократить излучение тепловоспринимающей панели в окружающую среду, а при тщательном подборе шага, размера и
формы гофр можно сконцентрировать солнечное излучение вблизи поглощающих трубок абсорбера, что повысит температуру нагреваемого теплоносителя.
3.4.
Разработка установок с высокими показателями
трансформирования солнечной энергии в тепловую
Рассмотрим коллектор [87], который включает указанные выше конструктивные элементы, позволяющие повысить эффективность преобразования
солнечной энергии в тепловую.
Корпус 1 устройства, изображенного на рисунках 3.23, 3.24, 3.25, так же
как и широко распространенные коллекторы, имеет тепловую изоляцию 9,
верхнее плоское остекление 2 и теплопроводные пластины 3, соединенные с
поглощающими трубами 4. Последние оптически связаны с гофрированной
светопрозрачной панелью 5, которая включает в себя параболические отражатели 6 и жидкостные линзы 7, размещенные в их нижней части над поглощающими трубами 4 и соосно с ними. В нижних полостях, образованных
49
гофрированной светопрозрачной панелью, установлены жидкостные призматические отражатели 8. Их входные торцы подсоединены к распределительной трубе 10, имеющей входной патрубок 11 для теплоносителя, а выходные
– к промежуточной трубе 12, которая также сообщается с входными торцами
жидкостных линз 7. Противоположные концы линз 7 посредством перепускных патрубков 13 прикреплены к поглощающим трубам, для которых предусмотрена сборная труба 14 с выходным патрубком 15.
Такое конструктивное исполнение солнечного коллектора предполагает
осуществление процесса нагрева прозрачного теплоносителя в следующем
порядке.
Рисунок 3.23 - Солнечный коллектор, вид сверху
По входному патрубку 11 прозрачная жидкость поступает в распределительную трубу 10, а затем по входным торцам в жидкостные призматические
отражатели 8. Световые лучи, проникшие через плоское остекление 2 и попавшие на гофрированную панель 5 и отразившиеся от нее, направляются на
противоположную поверхность параболических отражателей 6, где в основном отражаются, а также частично проходят сквозь них, попадая на призма-
50
тические отражатели 8. Направленная на призматические отражатели 8 солнечная радиация незначительно поглощается теплоносителем, нагревая его, а
основная ее часть отражается на поглощающие трубы 4 и на расположенную
в близи этих труб область теплопроводных поглощающих пластин 3. Нагреваясь в жидкостных призматических отражателях 8, теплоноситель перетекает к их выходным торцам и поступает в промежуточную трубу 12, из которой
затем по входным торцам перемещается в жидкостные линзы 7 параболических отражателей 6. Параболическая форма последних способствует многократному отражению лучей в панели 5, приводящему к их концентрации
вблизи жидкостных линз 7. Так как линзы 7 собирающие, то основная доля
излучения, которое проникнет сквозь них и не поглотится теплоносителем,
заполняющим их полость, сосредоточится на поглощающих трубах 4. Это
вызовет значительное нагревание поверхности данных труб. После дополнительного прогрева в жидкостных линзах теплоноситель по перепускным патрубкам 13 поступает в поглощающие трубы 4, где за счет полученной от излучения теплоты значительно повышает свою температуру. Нагретая жидкость из поглощающих труб 4 попадает в сборную трубу 14, а затем по выходному патрубку 15 направляется к потребителю.
Таким образом, конструкция коллектора [87, 188] позволяет более эффективно преобразовывать солнечную энергию в тепловую с последующим
использованием ее в системах отопления и горячего водоснабжения за счет
концентрирования излучения на поглощающих трубах и предварительного
прогрева теплоносителя в жидкостных призматических отражателях и линзах. Применение последних способствует увеличению объема жидкости в
устройстве, что значительно повышает его производительность, не снижая
температурного потенциала теплоносителя на выходе из-за концентрации излучения на поглощающих трубах. К тому же, столь значительное заполнение
коллектора жидкостью позволяет ему выполнять функцию суточного аккумулятора теплоты.
а
б
51
Рисунок 3.24 - Солнечный коллектор: а – разрез 1-1; б – разрез 2-2
Рис. 3.25 - Аксонометрия фрагмента солнечного коллектора
Разрабатывая наиболее перспективные и оптимальные решения [87, 88,
188] для конкретных климатических и геофизических условий, можно добиться широкого внедрения устройств, использующих энергию солнца, не
только в южных регионах России, но и в более сереверных широтах, что в
конечном итоге существенно сократит потребление традиционных энергоресурсов, особенно в теплый период года.
Гелиотермообработка строительных изделий предполагает использование конструктивно простых устройств, аналогичных плоским солнечным
коллекторам [7, 175, 179, 187, 191]. Наиболее дешевые из них представляют
собой светопрозрачное укрытие обрабатываемых деталей в виде полиэтиленовой пленки. В этом случае для протекания процесса термообработки необходимо пленку плотно закрепить на кромках мест установки заполненных
материалом форм в натянутом состоянии так, чтобы она не провисала, соприкасаясь с деталями. Тогда воздушная прослойка будет выполнять роль
52
тепловой изоляции, уменьшая потери теплоты в окружающую воздушную
среду и тем самым, увеличивая температуру строительных изделий. В этом
случае сокращается время набора расчетной прочности производимых элементов, но процесс остается продолжительным, что соответственно увеличит
время, затрачиваемое на технологическую операцию.
Чтобы повысить эффективность гелиотермообработки и увеличить сезон
использования энергии солнца, необходимо применять коллекторы с высококачественной изоляцией корпуса, в том числе и его жесткого основания, образующего дно устройства. Целесообразно использовать двойное спаренное
остекление, выполненное со светопрозрачным теплоизолирующим покрытием и с заполнением пространства между листами инертным газом. В этом
случае будет обеспечена равномерность прогрева изделия по его высоте, что
в конечном итоге вызовет уменьшение амплитуды колебаний при повышении температуры в целом и сократит продолжительность периода набора
прочности. Ускорить процесс гелиотермообработки можно, если в дополнение к эффективной конструкции коллектора установить отражатели, которые
позволят изменить направление лучей и тем самым обеспечат более интенсивную радиацию в зоне размещения строительных изделий.
Глава 4. Системы кондиционирования воздуха
с альтернативным холодоснабжением.
Проектируемые и эксплуатируемые системы солнечного теплоснабжения в отличие от установок, предназначенных только для горячего водоснабжения, как правило, имеют значительные площади коллекторов, которые
не требуются в теплый период года по причине отсутствия расходов тепловой энергии на отопление. Предназначенные для теплоснабжения массивы
устройств активного улавливания солнечной радиации в летние месяцы прогревают теплоноситель до температуры, позволяющей осуществить нетрадиционное холодоснабжение сооружений за счет использования абсорбционных установок. Поэтому наряду с нетрадиционным обеспечением зданий тепловой энергией в этом случае целесообразно предусматривать и альтернативное холодоснабжение.
Для восполнения данной нагрузки можно применять как абсорбционные
холодильные машины, так и пароэжекторные. Наибольшее распространение
по причине высокой надежности получили абсорбционные установки с замкнутым термодинамическим циклом [111]. Ниже остановимся подробней на
устройствах, относящихся к этому классу.
Для альтернативного холодоснабжения объектов можно также воспользоваться и парокомпрессионными холодильными машинами, если смонтировать фотоэлектрические преобразователи. Но их низкий кпд и одновременно
требуемая значительная мощность делает такие установки на современном
этапе неконкурентоспособными. Кроме того, следует отметить, что требуе-
53
мая регулярная смена аккумуляторов, естественное старение материала фотоэлементов и высокая стоимость применяемого оборудования приводит к
убыточности таких систем.
В отличие от парокомпрессионных солнечные холодильные абсорбционные машины на бромистом литии достаточно хорошо себя зарекомендовали, в том числе и для кондиционирования воздуха помещений. К их положительным качествам можно отнести и то, что выпуск таких устройств может
быть освоен предприятием с незначительными производственными фондами
и с небольшими финансовыми затратами. Температура в 70-90 оС, необходимая для работы бромисто-литиевых установок, может быть успешно получена посредством солнечных коллекторов, в том числе и плоских.
Водоаммиачные абсорбционные холодильные установки характеризуются большей эффективностью по сравнению с бромисто-литиевыми, но для
их бесперебойной работы нужна температура не ниже 180-200 оС [101], что
может быть обеспечено применением концентраторов для поступающего излучения, которым требуется надежная система слежения за Солнцем. Поэтому при утилизации солнечной радиации для холодоснабжения в основном
применяются бромисто-литиевые абсорбционные холодильные машины малой и средней мощности.
Не смотря на существующие технические решения, проверенные длительной эксплуатацией, необходимо стремиться к созданию холодильных установок с высокоэффективными устройствами улавливания солнечной энергии, так как чем больше температура теплоносителя, направляемого в десорбер, тем выше кпд и тем боле экономичной окажется система в целом. Учитывая в данном случае зависимость рабочего цикла от времени суток, следует уделять также особое внимание и оборудованию для аккумуляции получаемого холода, развивая его возможности, как в направлении увеличения
времени хранения, так и мощности.
4.1. Абсорбционные холодильные машины
При высокой температуре наружного воздуха в теплый период года работа традиционных компрессорных холодильных установок, в том числе и
кондиционеров с данным типом охлаждения, создает пиковые нагрузки на
электросеть. Снизить потребление электроэнергии зданием можно за счет
применения абсорбционных холодильных машин (АБХМ), а в свою очередь
сократить расход последними тепловой энергии можно при использовании
вторичных ресурсов или возобновляемых источников, в частности солнечной
радиации.
В АБХМ повышение давления хладагента осуществляется с помощью
термомеханического компрессора, работа которого основана на использовании экзотермических процессов смешения веществ и эндотермических про-
54
цессов их разделения. В абсорбционных установках применяют бинарные
смеси, состоящие из рабочего агента и абсорбента (поглотителя). При этом
температура кипения смеси, образованной из указанных компонентов, отличается от нормальных температур кипения смешиваемых веществ. Наибольшее распространение в АБХМ нашли водные растворы аммиака и бромистого лития.
Преимущество АБХМ заключается в значительно меньших потреблении
электрической энергии и эксплуатационных затратах, что обеспечивается использованием теплоты для термодинамического цикла и надежностью оборудования, не требующего обслуживания. Необходимая для десорбции тепловая энергия может быть получена при непосредственном сжигании топлива, что существенно сокращает потери, а существенно снизить ее традиционное потребление можно при утилизации тепловых выбросов и при использовании альтернативных источников энергии.
Затраты энергии на кондиционирование воздуха в летние месяцы составляют существенную часть от общей нагрузки здания. При ограничении
максимальной мощности электропотребления использование абсорбционных
холодильных машин для данной цели является хорошим способом минимизации и сглаживания пиковых нагрузок на сети. Так же можно применять
гибридные системы, в которых базовое охлаждение производится электрическими чиллерами, а пиковая – абсорбционными холодильными машинами.
АБХМ может входить как в состав только системы холодоснабжения,
так и в интегрированную систему тепло- и холодоснабжения. Последнее
предполагает одновременную выработку холода и получение горячей воды,
необходимой потребителю, что сокращает затраты теплоты на здание. Однако существенная экономия может быть достигнута за счет утилизации тепловых выбросов и использования возобновляемых источников, в том числе и
для выработки электроэнергии.
4.1.1. Обоснование применения абсорбционных холодильных машин
для утилизации солнечной энергии
В АБХМ хладагент, в соответствии с представленной схемой на рисунке
4.1, переходит в парообразное состояние в испарителе за счет теплоты, забираемой от охлаждаемой среды, а затем, поступая в абсорбер, поглощается абсорбентом. Получаемая жидкость направляется в генератор (десорбер), где
при нагревании от внешнего источника тепловой энергии выделяются пары
хладагента из абсорбента, которые впоследствии поступают в конденсатор. В
конденсаторе хладагент переходит в жидкое состояние, отдавая свою теплоту
охлаждающей среде, и затем направляется с понижением давления посредством регулирующего вентиля в испаритель.
55
Рисунок 4.1. Схема одноступенчатой абсорбционной холодильной машины: 1 – испаритель; 2 – конденсатор; 3, 6 - расширительный клапан; 4 – абсорбер; 5 – генератор; 7 – насос; 8, 10 трубопровод парообразного хладагента; 9 - трубопровод
жидкого хладагента; 11 – трубопровод для охлаждаемой
среды; 12, 13 – трубопровод охлаждающей воды; 14 – трубопровод теплоносителя
Рациональный выбор бинарной смеси в качестве хладагента и требуемого оборудования следует проводить на основании классификации АБХМ.
Поэтому рассмотрим возможности и технические параметры холодильных
установок данного типа.
Для трансформации теплоты, поступающей от какого-либо источника,
как указывалось ранее, применяют в основном бромисто-литиевые или аммиачные АБХМ. В бромисто-литиевых АБХМ в качестве хладагента используется вода, а в качестве абсорбента – бромид лития LiBr. В аммиачных в качестве хладагента используется аммиак NH3, а в качестве абсорбента – вода.
В настоящее время наибольшее распространение получили бромистолитиевые АБХМ, так как рабочий цикл в отличии от аммиачных не требует температуру теплоносителя свыше 100 оС.
По схеме организации холодильного цикла абсорбционные установки
подразделяются на одноступенчатые, двухступенчатые, трехступенчатые и
гибридные [64]. Комбинированные (гибридные) системы включают АБХМ и
когенераторные установки на природном газе, обеспечивающие выработку
тепловой и электрической энергии. Использование гибридных установок позволяет оптимизировать нагрузку на системы энергоснабжения и экономить
ресурсы.
АБХМ бывают прямого и непрямого нагрева [219]. В машинах прямого
нагрева источником тепла может быть газ или другое топливо, сжигаемое
непосредственно в установке. В машинах непрямого нагрева используется
пар или другой теплоноситель, который доставляет теплоту от источника к
установке. В этом случае может быть использована, тепловая энергия, являющаяся побочным продуктом технологического процесса, или полученная
от возобновляемых источников.
56
При утилизации солнечной энергии для альтернативного холодоснабжения могут быть использованы абсорбционные установки как с замкнутыми,
так и разомкнутыми термодинамическими циклами [111]. Во втором типе
АБХМ десорбер представляет открытую наклонную плоскость, принимающую солнечное излучение, на которую подается бинарная смесь. При нагревании хладагента происходит испарение воды и повышение его концентрации. Затем крепкий раствор направляется в абсорбер, где он вновь поглощает
водяные пары, выделяющиеся в испарителе. Недостатком открытого десорбера является засорение используемого раствора, а также возможность смыва
его осадками. Учитывая высокую надежность АБХМ с замкнутым циклом,
ниже будут рассматриваться установки для получения холода посредством
утилизации солнечной радиации, работающие по данному принципу.
Эффективность абсорбционных холодильных машин характеризуется
тепловым коэффициентом термодинамического цикла, определяемым как
отношение холодопроизводительности установки к затратам тепловой энергии [6, 14]. Тепловой коэффициент одноступенчатых АБХМ находится в
пределах от 0,6 до 0,8 при максимально возможном значении 1 [219, 218]. В
связи с этим одноступенчатые АБХМ целесообразно использовать в случаях,
когда есть возможность утилизации тепловой энергии, например, сбросная
тепловая энергия от электростанций, котлов или возобновляемых источников.
Двухступенчатые АБХМ характеризуются величинами теплового коэффициента, равными примерно 1 при максимально возможном значении 2, а
трехступенчатые, еще не доступные для коммерческого использования, характеризуются величинами холодильного коэффициента от 1,4 до 1,6 [219].
Эффективность реальных холодильных машин существенно отличается
от расчетных величин, получаемых для идеального цикла. Это происходит в
основном из-за сложных необратимых процессов, проходящих в рабочих
жидкостях. Поэтому к хладагентам, предъявляется ряд специфических требований, обусловленных особенностями протекания абсорбционного холодильного цикла. Эти требования включают [219, 10]:
• высокую растворимость в абсорбенте при заданной рабочей температуре
абсорбера;
• низкую растворимость при заданной рабочей температуре генератора;
• отсутствие химической реакции с абсорбентом во всем диапазоне рабочих
температур.
В одноступенчатых АБХМ хладагент последовательно перемещается через четыре вида основного оборудования: испаритель, абсорбер, генератор
(десорбер) и конденсатор, условно изображенных на рисунке 4.1.
Узел генератора-абсорбера повышает давление паров холодильного
агента от давления кипения до конденсации посредством предварительного
поглощения паров раствором и последующим их освобождением из бинарной смеси при давлении конденсации.
57
Когда пары хладагента поглощаются в абсорбере, температура раствора
при этом повышается. Для устранения этого явления устанавливают охлаждающий змеевик, поглощающий теплоту растворения qА. Раствор в абсорбере
называют крепким раствором, так как он богат холодильным агентом. Насос
откачивает крепкий раствор из абсорбера, повышает его давление и нагнетает крепкий раствор в генератор. В генераторе при подводе тепла qГ температура раствора увеличивается, вследствие чего часть холодильного агента отгоняется в виде паров с повышением давления и температуры. Когда пары
хладагента покидают раствор, он в генераторе становится слабым, то есть
приобретает низкую концентрацию холодильного агента. Слабый раствор
направляется обратно в абсорбер через регулирующее устройство, поддерживающее перепад давлений в системе. Из генератора пары холодильного
агента проходят в конденсатор, основной регулирующий вентиль и испаритель, так же как в паровой компрессионной холодильной машине.
Особенностью абсорбционной холодильной машины является незначительная затрата механической энергии, которая требуется в большом количестве в парокомпрессионных устройствах. Основным потреблением энергии
является подача в генератор теплоносителя с высокой температурой.
Так как одноступенчатая абсорбционная машина (рис. 4.1) обеспечивает
требуемое охлаждение с низким тепловым коэффициентом, то для повышения ее эффективности дополнительно устанавливают теплообменники, схематично изображенные на рисунке 4.2. Потери энергии при циркуляции абсорбента между абсорбером – генератором и хладагента снижаются при наличии рекуперативных теплообменников.
К бромисто-литиевым машинам применим рассмотренный цикл водоаммиачной установки. Тепло, подаваемое к генератору, позволяет получить
водяные пары, направляемые к конденсатору, где эти пары конденсируются.
Затем вода после прохождения через диафрагму или сопло, которые заменяют регулирующий вентиль, поступает в испаритель при низком давлении.
При кипении воды в испарителе снижается температура остающейся жидкой
фазы. Пары поступают в абсорбер и поглощаются раствором бромистого лития, уменьшая его концентрацию за счет увеличения массовой доли воды.
Для смеси, выходящей из генератора, характерна высокая концентрация бромистого лития.
58
Рисунке 4.2. Схема одноступенчатой абсорбционной холодильной машины с теплообменниками: 1 – испаритель; 2 – конденсатор; 3, 6 - расширительный клапан; 4 – абсорбер; 5 – генератор; 7 – насос; 8, 10 - трубопровод парообразного хладагента; 9 - трубопровод жидкого хладагента; 11, 12 - теплообменники
В нерастворенном состоянии бромистый литий – твердое вещество. Он
гигроскопичен и при поглощении 30 % воды становится жидким [10]. Молекулы бромистого лития не смешиваются с парами воды, что отличает бромисто-литиевую машину от водо-аммиачной, в которой некоторая часть абсорбента – водяного пара – циркулирует вместе с аммиаком. Давление во всей
системе бромисто-литиевой машины ниже атмосферного. Для температуры
кипения +7 оС давление должно составлять около 1 кПа (8 мм рт. ст.) [10].
Поэтому в холодильных установках необходимо предусматривать устройства
для удаления воздуха из системы в случае возникновения неплотностей.
Несмотря на низкий коэффициент полезного действия одноступенчатых
АБХМ, они часто устанавливаются в тех зданиях, где имеются легкодоступные источники возобновляемой и сбросной теплоты. Машины этого типа используются в системах кондиционирования воздуха и для охлаждения воды,
потребляемой в различных технологических процессах. Установочная мощность одноступенчатых АБХМ может составлять от 15 кВт до 5 МВт. Технические данные некоторых АБХМ приведены в табл. 4.1. [220].
Таблица 4.1
Технические данные бромисто-литиевых холодильных установок
Параметры холоХолодопроизводительность, кВт
дильных устано15
30
54
83
140
150
200
вок
Температура ох- 17/11
15/9
15/9
15/9
15/9
15/9
15/9
59
лаждающей воды,
о
С
Теплопотребление,
21
кВт
Температура
90/80,5
греющего агента
(вода), оС
Потребляемая
0,3
электрическая
мощность, кВт
Холодильный ко- 0,71
эффициент
Габариты, мм:
длина
1500
ширина
750
высота
1600
40
72
11
187
200
266
86/73
86/71
86/71
86/71
86/71
86/71
0,5
0,9
1,2
2,2
2,6
3,4
0,75
0,75
0,75
0,75
0,75
0,75
2220
850
2080
2950
1900
2250
3100
1100
2750
3490
1300
2750
3490
1300
3000
3490
1300
3600
Более высокой эффективностью по сравнению с одноступенчатыми обладают двухступенчатые АБХМ. В этих установках, в отличие от одноступенчатых холодильных машин, используется два конденсатора или два абсорбера, с тем чтобы обеспечить более эффективное выделение хладагента из
абсорбента при меньших затратах тепловой энергии. Однако в поставленной
задаче - утилизации солнечной энергии для получения холода они еще не
нашли применения, так как требуют более высокой температуры греющего
теплоносителя. Последнее можно получить только за счет применения концентраторов солнечного излучения, что значительно усложняет установку и
увеличивает стоимость оборудования.
4.1.2. Технические условия, способствующие расширению области
применения АБХМ
Основным преимуществом АБХМ является сокращение эксплуатационных расходов за счет снижения потребления дорогостоящей электрической
энергии, что, в свою очередь, обеспечивает выравнивание пиковых нагрузок
на электросеть. Кроме того, применение такой схемы охлаждения повышает
надежность систем обеспечения микроклимата, так как в этом случае исключается зависимость только от одного единственного источника электроэнергии, особенно в случае использования гибридных систем. Целесообразно
применение АБХМ так же и в качестве резервной установки для холодоснабжения.
Данные системы охлаждения в конечном итоге обеспечивают сокращение в пересчете на топливные ресурсы их потребление, чем сопоставимые
парокомпрессионные установки. Утилизация сбросной тепловой энергии или
60
активное применение возобновляемых источников еще более увеличивает
рентабельность АБХМ.
Наряду с эффективным использованием топливно-энергетических ресурсов абсорбционные холодильные установки обладают также еще дополнительными преимуществами [219, 10]:
• экологическая безопасность за счет отказа от использования хладагентов на
основе хлорфторуглерода (CFC) и гидрохлорфторуглерода (HCFC);
• не имеют массивных движущихся частей, способствующих быстрому износу;
• пониженный шум при работе оборудования и отсутствие вибраций;
• давление в системе не достигает высоких значений;
• повышенная надежность установок;
• низкая стоимость обслуживания.
При прямом нагреве в абсорбционных установках сжигание газа дает
весьма незначительное количество вредных выбросов, поскольку современные устройства обеспечивают достаточно полное сгорание. Однако использование нетрадиционных экологически чистых источников энергии полностью устраняет этот недостаток.
В АБХМ можно получать не только охлажденную воду для кондиционирования воздуха и технологического процесса, но и горячую, в том случае,
если они оборудованы вспомогательным теплообменником и необходимым
автоматическим управлением. Если в системе предусмотрены эти две функции, то, как правило, общие затраты, включая капитальные и эксплуатационные, будут ниже, чем при использовании отдельно установленных холодильных машин и теплообменников для приготовления горячей воды.
Но, следует отметить, что остающаяся на относительно высоком уровне
стоимость оборудования не способствует широкому распространению
АБХМ. Низкая эффективность одноступенчатых АБХМ отрицательно сказывается на конкурентоспособности, за исключением случаев использования
легкодоступной сбросной и возобновляемой энергии. Применение же более
прогрессивных двухступенчатых установок не во всех ситуациях экономически обосновано. Еще одно ограничение в применении АБХМ связано с относительно высокими затратами энергии на работу насосов. Это связано с тем,
что технологии охлаждения, отличающиеся низким коэффициентом термодинамического цикла, требуют большего расхода хладагента по сравнению с
системами, имеющими высокую эффективность, и, соответственно, значительную производительность циркуляционных насосов. Так же при использовании абсорбционных холодильных машин с завышенным расходом хладагента необходимы градирни большей производительностью, чем для парокомпрессионных холодильных машин.
4.1.3. Тепловая эффективность абсорбционных холодильных машин
61
Идеальная одноступенчатая АБХМ могла бы обеспечить холодильный
эффект, равный количеству тепловой энергии, подведенной к генератору, но
в результате термодинамических потерь в реальных установках этот показатель всегда будет ниже, чем затраты тепловой энергии. Суточные изменения
в поступлении солнечной радиации, используемой посредством утилизации в
процессе десорбции, также оказывают негативное влияние на выработку холода. Чтобы выявить степень снижения стабильности рабочих режимов абсорбционных установок (рис. 4.1) при использовании данного вида возобновляемой энергии, рассмотрим уравнение теплового баланса [60]
(4.1)
qК  qА  qГ  qИ  lН ,
где qК - теплота конденсации, кДж/кг; q А - теплота абсорбции паров раствором в абсорбере, кДж/кг; q Г - теплота, подведенная в генераторе (десорбере),
кДж/кг; qИ  qO - холодильная мощность или теплота, подведенная в испаритель охлаждаемой средой, кДж/кг; lН - работа насоса, затрачиваемая на
транспортировку раствора, кДж/кг.
Так как энергия, затрачиваемая насосом, незначительна по сравнению с
потоками теплоты q Г и q А , то без ущерба для точности вычислений выражение (4.1) можно упростить до следующего вида [60]
(4.2)
qГ  qO  qК  qА ,
Согласно изменению энтропии (рис. 4.3) имеем [60]
(4.3)
sГ  sO  sК  s А ,
Заменяя s  q T и используя соотношение
qК  qА 
TW

qГ  qО  , полуT
W
чаем
qГ qO qК q А qГ qO
. (4.4)





TГ Т O TW ТW TW ТW
Перегруппируем уравнение (4.4)
относительно qО и qГ
 1
 1
1 
1 
  qГ 
 .
qO  

 TO ТW 
 TW Т Г 
(4.5)
Тогда из баланса потоков теплоты
можно найти выражение для определения теплового коэффициента  А ,
Рисунок 4.3. Тепловой баланс одноступенчатой абсорбционной холодильной установки на
Т-s- диаграмме
который характеризует эффективность термодинамического цикла [10, 60] и
равен отношению полученного холода к теплоте, подведенной к генератору,
А 
qO
.
qГ
(4.6)
62
Выражая из уравнения (4.5) соотношение qO q и подставляя его в (4.6)
Г
получаем [60]
 1
1 

 
T
TГ 
.
А   W
 1
1 
 

 TО TW 
(4.7)
Зависимость (4.7) показывает, что тепловой коэффициент идеального
цикла АБХМ увеличивается с повышением температуры ТГ и ТО, а уменьшается с повышением температуры охлаждающей воды ТW.
Традиционные источники энергии обеспечивают постоянную, в соответствии с технологическими требованиями, холодопроизводительность АБХМ
и стабильный тепловой коэффициент. Другая ситуация возникает при подводе к генератору теплоты, получаемой альтернативным способом. Так суточная неравномерность поступления солнечной радиации вызывает снижение
показателей термодинамического цикла АБХМ, которое необходимо учитывать при проектировании систем нетрадиционного холодоснабжения.
В соответствии с актинометрическими данными [116] в июле для 52
о
с.ш. изменения теплового потока от солнечной радиации, поступающей на
горизонтальную поверхность площадью 1 м2, с достаточной точностью могут
быть аппроксимированы экспоненциальной зависимостью
qS  b0e

  b1 2
b2
,
(4.8)
где qS - тепловой поток, поступающий на горизонтальную поверхность от
воздействия солнечной радиации, Вт/м2; τ – время, ч.; b0, b1, b2 - коэффициенты аппроксимации.
В указанной широте расположены такие города как Курск, Воронеж,
Липецк, Балашов, Иркутск, Благовещенск и др. Используя климатические
данные 52 ос.ш. можно оценить возможность получения холода посредством
утилизации солнечной радиации помимо южных регионов, являющихся наиболее благоприятными для этой цели. В соответствии с зависимостью (4.8)
распределение поступлений солнечной энергии на горизонтальную поверхность площадью 1 м2 в течение светового дня подчиняется уравнению
qS  856,709e

 122
.
(4.9)
Построенный по зависимости (4.9) график (рис. 4.4) и нанесенные выделенными точками результаты актинометрических наблюдений убедительно
показывают его адекватность поступлению солнечной радиации на горизонтальную поверхность. Так же следует отметить, что форма записи выражений
(4.8, 4.9) указывает на достижение максимальных значений в полдень и минимальных поступлений в утренние и вечерние часы.
31
63
Рисунок 4.4. Тепловой поток, отнесенный к площади воспринимающей
поверхности: 1- вырабатываемый холод, отнесенный к 1 м2
площади солнечных коллекторов; 2 - поступление солнечной радиации на горизонтальную поверхность площадью 1
м2 в 52 ос.ш. в июле
Для определения полезной теплоты, получаемой в устройствах улавливания солнечного излучения и в последующем используемой в абсорбционной установке, угол наклона плоских коллекторов к горизонту принят равным широте местности, а их оптический кпд - 0  0,8 . Расчетный температурный режим теплоносителя, направляемого в генератор, для указанных условий эксплуатации представлен в табл. 4.2.
Снижение интенсивности солнечного излучения не только сокращает
вырабатываемый холод, но и ухудшает показатели теплового коэффициента
термодинамического процесса, что усугубляет нестабильность режимов эксплуатации. Однако если получаемый холод используется для обеспечения
оптимального микроклимата в помещениях, то достигаемые высокие показатели солнечной абсорбционной установки в период от 9 до 16 часов соответствуют возрастающим теплопоступлениям в здания и тем самым способствуют эффективной борьбе с ними.
Учитывая, что в летние месяцы наружные ограждения, прогреваемые
интенсивной солнечной радиацией в световой день, впоследствии будут отдавать полученную теплоту как в окружающую среду, так и в помещения,
целесообразно холод производить с избытком для его аккумулирования и
дальнейшего использования в ночные часы.
Таблица 4.2
64
Изменение параметров абсорбционной холодильной установки
при солнечном теплоснабжении генератора
Параметры АБХМ
Время, в ч., до (числитель) и после (знаменатель) полудня
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9 9-10 101119181716151411
12
20
19
18
17
16
15
131214
13
Температура теплоносителя,
направ- 66,3 69,2 72,6 76,5 80,6 84,5 87,8 90,1
ляемого в генератор,
о
С
Эффективность термодинамического
0,68 0,69
0,7
0,71 0,713 0,72 0,727 0,731
цикла  А
Удельные тепловые
потоки, Вт/м2
qГ
97,7 153,3 226,1 312,2 403,9 490 557,9 594,3
66,5 105,7 158,3 221,6 289 352,8 405,6 434,4
qO
Зависимость (4.8) наглядно показывает распределение по времени интенсивности солнечного излучения, падающего на 1 м2 горизонтальной поверхности, и она удобна для первоначальной оценки ресурса данного альтернативного энергообеспечения. Для более полного исследования влияния изменений солнечной радиации на термодинамический цикл абсорбционной
установки следует применять полиномы, позволяющие получать аппроксимацию актинометрических показаний с меньшей погрешностью. Так зависимость вида
(4.10)
qS  b0  b1  b2 2  b3 3  b4 4
характеризуется большей адекватностью к фактическому распределению интенсивности солнечного излучения, поступающего на 1 м2 горизонтальной
поверхности, и для 52 ос.ш. (табл. 2.3) она имеет следующий вид
(4.11)
qS  17,912  69,276  55,022 2  5,408 3  0,1423 4 .
Учитывая необходимость аккумулирования вырабатываемого холода,
следует определять среднюю холодопроизводительность абсорбционной установки за суточный период эксплуатации.
4.2. Абсорбционные холодильные машины, использующие
альтернативные источники энергии
65
Как указывалось ранее компрессионные холодильные установки по
сравнению с абсорбционными являются более экономичными и эффективными, но при имеющихся источниках теплоснабжения по ряду причин следует отдавать предпочтение последним. Чтобы достичь энергосбережения в
системах холодоснабжения зданий можно в самом простом случае холодильное оборудование перенастроить на другой рабочий цикл, заменяя компрессор на пневмо- или гидродвигатель (рис. 4.5) [146], которые не сложно изготовить и перевести на нетрадиционные источники.
Общим недостатком всех альтернативных компрессионных схем является то, что возобновляемая энергия со значительными потерями преобразуется
в механическую [146]. Так же следует отметить, что при нарушении уплотнения вала вращения компрессора теряется его герметичность, что неизбежно приводит к снижению его работоспособности.
Альтернативную энергию значительно проще преобразовывать в возвратно-поступательное движение при помощи мембранного привода. Мембраны, изготовленные на основе NEOPREN или EPDM [146], работают в широком диапазоне температур и могут быть эффективно использованы при
фреоновом хладагенте. Главное преимущество мембранного привода заключается в отсутствии уплотнений и утечек, а так же в необходимости регулярной смазки. Корпус мембранного устройства при серийном производстве выполняется, в том числе и из полимерных материалов, методом штамповки с
невысокой степенью точности, что делает его дешевым и защищенным от
коррозии.
а
б
в
Рисунок 4.5. Низкооборотный холодильный компрессор (а), автомобильный компрессор (б) и пневмо (гидродвигатель) (в)
В большинстве случаев системы альтернативного холодоснабжения работают при утилизации солнечной энергии по абсорбционному циклу. К
данному классу установок относится изображенный на рис. 4.6. 40-литровый
бытовой абсорбционный холодильник, переконструированный на нерадиционные источники энергии [146]. Холод будет вырабатываться, если останется, хотя бы один из указанных на рис. 4.6 источников энергии. В качестве ре-
66
зервного энергопитания можно использовать и каталитические обогреватели,
в которых происходит беспламенное горение газа или бензина. Абсорбционный холодильник объемом 40 литров с каталитическим обогревателем будет
потреблять всего лишь 8-10 граммов бензина в час [146]. Объем этого устройства для бытовых нужд мал, но он может быть использован в автомобилях или в качестве лабораторного образца.
Широкому применению систем солнечного охлаждения, содержащих
абсорбционные установки, мешает ряд присущих им особенностей и недостатков, которые указывались ранее. Однако, при рациональном конструировании, включая оптимизацию рабочих режимов, солнечные АБХМ могут
быть конкурентоспособными и с успехом замещать традиционные холодильники и кондиционеры.
Рисунок 4.6. Абсорбционный холодильник, использующий нетрадиционные источники энергии
Основная негативная особенность такого охлаждения состоит в том, что
установки работают периодически, то есть неравномерно в течение суток и
года, но положительным фактором является то, что наибольшая производительность достигается в самое жаркое время дня и года, когда возникает острая потребность в охлаждении. Поэтому солнечную энергию целесообразно
использовать для понижения температуры внутреннего воздуха помещений в
летний сезон.
В некоторых конструкциях солнечных холодильников предусмотрены
режимы накапливания низкопотенциальной энергии в течение жаркого дня и
передачи ее запасов потребителю в отсутствии светового воздействия. Поэтому экономически целесообразно совмещать установку устройств солнечного охлаждения и аккумулирования в системах кондиционирования воздуха.
Современные средства автоматики успешно поддерживают определенную, заданную температуру методом отключения или ограничения производительности охлаждения. Но, в отсутствии солнечного излучения абсорбционные холодильные установки не смогут вырабатывать холод, что неблагопритно повлияет на микроклимат. Учитывая это обстоятельство, в ряде случаев для уменьшения колебаний температуры охлаждаемого объекта следует
применять аккумуляторы емкостные или фазового перехода. Наиболее перспективными являются вещества, меняющие свое агрегатное состояние в
67
требуемом для хранения температурном диапазоне. Основным недостатком
аккумуляторов, которые обеспечивают холодом потребителя при длительном
отсутствии достаточных поступлений солнечной радиации, является их значительный объем. Эта проблема со временем будет решена за счет использования последних технологических достижений, в том числе и нано-уровня.
При повышенных требованиях к кондиционированию воздуха сохранить
стабильность поддерживаемой в помещениях температуры можно совместной эксплуатацией систем традиционного и солнечного охлаждения. Для
этого посредством регуляторов температуры и средств автоматического
управления необходимо правильно установить момент включения парокомпрессионного и абсорбционного охлаждения. При постепенном повышении
температуры в обслуживаемом помещении, первым должно включаться в работу солнечное охлаждение, и только в том случае, если оно не справляется с
нагрузкой, дополнительно вовлекается в работу парокомпрессионная холодильная установка. Гистерезис на включение и отключение последних устройств, работающих на охлаждение или обогрев, должен быть увеличен. Такой режим кондиционирования или охлаждения позволяет наилучшим образом утилизировать солнечное излучение и экономить постоянно дорожающую электрическую энергию в самый жаркий период года.
Учитывая приведенное обоснование целесообразности применения устройств данного класса, остановимся на некоторых абсорбционных холодильных установках, работающих за счет энергии Солнца.
Фирма Schüco предлагает АБХМ производительностью 15 кВт и 30 кВт
[221], которые разработаны специально для использования солнечного излучения. По своим параметрам эти устройства могут быть применены для
офисных и торговых помещений, аудиторий и конференц-залов, если при
создании комфортного микроклимата требуется соблюдать экологические
показатели. Для АБХМ мощностью 15 кВт необходимо коллекторное поле,
состоящее из примерно 18 высокотемпературных коллекторов Schüco, а при
мощности 30 кВт - около 36 коллекторов [221]. По запросу возможно конструирование установок мощностью более 30 кВт. Такие АБХМ с высокой охлаждающей мощностью (более 100 кВт) уже многие годы бесперебойно работают в ТЭЦ.
Градация установок по мощности охлаждения в 15 кВт и 30 кВт позволяет в сочетании с приводом из тепловых коллекторов солнечной энергии
охлаждать небольшие офисные помещения площадью от 200 м2 без электрических компрессоров [221].
К достоинствам холодильных установок Schüco можно отнести [221]:
 оптимизирован цикл абсорбционного охлаждения, осуществляемый при
рабочей температуре теплоносителя от 70 ºC до 95 ºC, которую получают
посредством плоских солнечных коллекторов;
 для производства холода не используются компрессоры, что снижает уровень шума и обеспечивает минимальное обслуживание оборудования;
68
повышена экологическая безопасность благодаря ограниченному расходу
электроэнергии и использованию естественных хладагентов;
 подходят для "холодных" потолков и других охлаждаемых строительных
конструкций, кондиционеров и вентиляционных установок;
 могут быть применены как эффективная замена или дополнение к уже
существующим установкам;
 централизованное расположение всех разъемов для простого и безопасного монтажа;
 оптимизированное автоматическое управление с удобной навигацией по
меню.
Широко известная фирма Солар-Полар для решения вопросов кондиционирования воздуха помещений также использует абсорбционные системы
охлаждения, работающие на солнечной энергии. Данные системы с успехом
применяются в течение многих десятилетий в качестве бесшумных недорогих и надежных холодильников, использующих в том числе любой доступный источник тепловой энергии.
В холодильном оборудовании Солар-Полар применен принцип поглощения аммиака по следующим причинам [222]:
 такие системы способны преобразовывать тепловую энергию напрямую
для получения холода в диапазоне температур, доступных для солнечных
коллекторов (с некоторыми изменениями);
 низкая стоимость оборудования;
 могут быть изготовлены без использования дорогих материалов и сложного производственного процесса;
 не имеют движущихся частей, что повышает их надежность и значительно
снижает уровень шума;
 значительно снижено потребление электроэнергии;
 термодинамический цикл установок характеризуется высокой степенью
надежности, что позволяет отказаться от какого-либо обслуживания;
 доступный и эффективный холодильный агент.
Так как осушение является естественной частью солнечного процесса
охлаждения, то в районах с высоким уровнем влажности элементы системы
Солар-Полар могут быть использованы для конденсации воды из атмосферы,
создавая в сочетании с дистилляцией источник питьевой воды.
Существует только один недостаток такой системы - сниженная энергоэффективность. Другие абсорбционные установки более эффективны, но состоят из многочисленных компонентов, образуя сложные конструкции с значительными габаритными размерами, что повышает их стоимость. Система
Солар-Полар характеризуется простотой исполнения, тем самым делая ее недорогой при производстве. При этом цена за Вт потребляемой мощности охлаждения намного ниже, чем в существующих аналогах [222], что в сочетании с отсутствием выбросов вредных веществ обеспечивает в какой-то мере

69
лидерство в области создания АБХМ на основе использования возобновляемых источников энергии.
4.3. Аккумулирование избыточного холода
Аккумуляторы позволяют решать проблему неравномерности нагрузок
на холодильные установки. Устройство для хранения холода заряжается в
ночное время от парокомпрессионной холодильной установки или днем при
использовании интенсивной солнечной радиации в АБХМ, а затем покрывает
пиковую нагрузку на энергосеть днем в первом случае или ночное потребление во втором. Это позволяет снизить мощность применяемых холодильных
машин и затраты на электроэнергию при использовании многотарифных
счетчиков, так как в ночное время тариф может быть более чем в 3 раза ниже
дневного.
Как использование альтернативных источников энергии для получения
холода, так и традиционные парокомпрессионные установки вызывают необходимость применения аккумуляторов по следующим причинам:
 снижение мощности холодильных машин более чем в 2 раза;
 снижение на электросеть пиковых нагрузок до 2 раз;
 меньшие инвестиционные затраты на холодильное оборудование и подключение к зданию электрических мощностей;
 возможность компенсации потреблений при снижении энергетического
потенциала возобновляемого источника;
 более простое и дешевое обслуживание меньшей по мощности холодильной станции;
 работа холодильных машин при максимальных загрузке и кпд;
 наличие резервного источника холодоснабжения для ответственных технологических процессов.
В зарубежной практике часто применяют аккумуляторы на основе использования теплоемкости воды, твердых материалов и тепловых труб [109].
Теплоаккумулирующие системы, имеющие для этой цели резервуары с водой, по сравнению с другими видами подобных устройств обладают преимуществами, заключающимися в совместимости с солнечным нагревом и
низкой стоимости воды, как аккумулирующей среды. Однако в некоторых
случаях из-за ухудшения качества воды в емкостях большого объема и вероятности ее бактериального заражения следует применять другие способы
хранения холода или теплоты. В системах жизнеобеспечения зданий возможно аккумулирование, основанное на принципе фазового перехода вещества, подходящего по температурному режиму.
Для систем кондиционирования воздуха на современном этапе наибольшим спросом пользуются две конструкции аккумуляторов холода компаний
«Baltimore Aircoil» и «Cristopia». Первая представляет собой гладкостенный
70
трубчатый змеевик, погруженный в емкость с водой. По трубкам змеевика
подается холодоноситель (обычно незамерзающая жидкость на основе этиленгликоля) и на поверхности труб намерзает лед. При разрядке аккумулятора холодоноситель отдает свою теплоту, расплавляя лед. Конструкция компании «Cristopia» предусматривает бак, наполняемый пластиковыми шаровидными капсулами, заполненными водой. В пространстве между капсулами
циркулирует холодоноситель. При зарядке вода в капсулах замерзает, а при
разрядке плавится, охлаждая этиленгликоль.
Инновационный аккумулятор холода ООО «Миктерм» [79, 109] по
принципу работы напоминает конструкцию компании «Baltimore Aircoil», но
имеет ряд отличий. Он представляет собой наборный теплообменник из секций-кассет (рис. 4.7) [79, 109], погруженный в емкость, заполненную водой,
которая является теплоаккумулирующим веществом. Каждая секция выполнена в виде плоского змеевика из тонкостенных гофрированных труб, смонтированного на рамке со стальной сеткой. Рамка с сеткой имеет тройное назначение: задает пространственную форму секции-кассеты, позволяет наращивать теплообменную поверхность, устанавливая их параллельно друг другу и выполняет функцию теплопроводных ребер в объеме воды, ускоряя процессы замораживания и таяния. Кассеты теплообменника объединены подающим и обратным коллекторами таким образом, чтобы движение холодоили теплоносителя при аккумулировании теплоты в соседних секциях осуществлялось в противоположные стороны по так называемой бифилярной
схеме. За счет этого обеспечивается равномерность фазового перехода жидкости во всех сечениях теплообменника.
71
Для удобства обслуживания, ремонта и наращивания при необходимости
мощности кассеты аккумулятора теплоты или холода монтируются съемными, и они объединяются в подающий и обратный коллекторы. Аккумулятор
имеет эластичную внутреннюю оболочку с упругой теплоизоляцией, воспринимающую изменения объема аккумулирующего вещества при фазовом переходе.
Основное достоинство кассетного теплообменника – простота его изготовления и изменения объема под нужды заказчика. Изготовление змеевика
из тонкостенных гофрированных труб не требует сварки или трубогибочных
станков. Подсоединение к коллекторам происходит через готовые заводские
фитинги. Другое важное преимущество состоит в том, что емкость с водой
или с каким-либо другим веществом, в которую погружается теплообменник,
является безнапорной и может быть выполнена даже в строительных конструкциях [79, 109].
Учитывая, что пластинчатые теплообменники могут также эффективно
использоваться
дляАккумулятор
хранения энергии
[90]1следует
часть
Рисунок 4.7.
теплоты:
– корпус;
2 – образованного
теплоизоляция;пла3–
стинами пространства
заполнить
аккумулирующим
веществом.
Повысить
эластичная оболочка; 4 – аккумулирующая среда; 5 – касхолодопроизводительность
хранения можно
увеличивая
толщину
пластин,8
сета; 6 – металлический
сетчатый
каркас;
7 – коллектор;
заполненных аккумулирующим
веществом.
– гофрированная
труба
4.4. Повышение эффективности систем солнечного охлаждения
Основным процессом солнечного охлаждения на современном этапе является абсорбция. Главная задача производителей - сделать рентабельными
установки, поглощающие хладагент, в малом диапазоне мощностей, так как
создание компактных и энергоемких аккумуляторов позволит увеличить стабильность охлаждающих систем. Внедрение таких кондиционеров тормозится из-за относительно высокой стоимости и ограниченной области их применения. Однако эти недостатки в дальнейшем могут быть с успехом устранены, в том числе и посредством применения нано-технологий.
Несмотря на то, что наибольшее распространение для использования
альтернативных источников энергии получили абсорбционные холодильные
машины, уже сейчас разрабатывается адсорбционная холодильная техника с
твердым поглощающим веществом, которая имеет ряд преимуществ, одно из
них это компактность конструкций. Так, например, чиллер Sortech S 05 (ACS
05) [79] основан на адсорбционном процессе с рабочей парой веществ силикагель-вода.
Перед инженерами и конструкторами стоит актуальная задача совершенствования процессов преобразования и использования солнечной энергии, как за счет самих холодильных установок, так и за счет тепловых масси-
72
вов устройств улавливания радиации. В этой области приоритетным является, в том числе, и снижение стоимости оборудования посредством сокращения расхода материалов на производство и получения эффекта масштабности
использования, что, в свою очередь, окажет существенное влияние на рентабельность оборудования.
Глава 6. Методы расчета и проектирования установок
солнечного теплоснабжения
6.1.
Оценка располагаемого количества солнечной энергии при
проектировании систем теплоснабжения для различных
климатических условий
Плотность потока солнечной радиации у верхней границы атмосферы
на поверхность, расположенную перпендикулярно направлению солнечных
лучей, равна I 0 =1,353 кВт/м2 (солнечная постоянная), при этом среднее количество энергии, поступающей за 1 ч на 1м2 этой поверхности, составляет
2
Q0 =4,871 МДж/(м ч) [11]. Сквозь толщу атмосферы проникнет только часть
солнечного спектра, интенсивность которого определяется широтой местности, временем года и долготой дня, поэтому энергооблученность объектов в
разных климатических зонах будет существенно отличаться.
Как отмечалось ранее, в системах солнечного теплоснабжения обычно
используются плоские тепловые коллекторы, устанавливаемые в наклонном
положении. Чтобы правильно подобрать устройства и выполнить их расчеты, необходимо знать величину солнечной радиации, попадающей на поглощающую панель абсорберов. Среднемесячное дневное количество суммарной солнечной энергии, МДж/(м2день), поступающей на наклонную поверхность, можно определить по выражению [11]
EK  R  E ,
(6.1)
где E - среднемесячное дневное количество суммарного солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность, МДж/(м2день); R  отношение среднемесячных дневных количеств солнечной радиации, поступающих на наклонную и горизонтальную поверхности.
Для наклонной поверхности с южной ориентацией отношение среднемесячных дневных количеств солнечной радиации можно вычислить по зависимости [11]
 EД 
Е
 RП  1  cos   Д   1  cos  ,
R  1 

2
2
Е 
Е

(6.2)
где Е Д  среднемесячное дневное количество диффузной (рассеянной) солнечной энергии, поступающей на
горизонтальную
поверхность,
73
МДж/(м2день); RП  коэффициент пересчета прямого излучения с горизонтальной на наклонную поверхность;   угол наклона плоского солнечного
коллектора к горизонту, град;   коэффициент отражения для подстилающей
поверхности Земли, который принимается для теплого периода  =0,2, а для
холодного при наличии снежного покрова  =0,7.
Среднемесячная величина коэффициента R П может быть определена в
соответствии с рис. 6.1 или по формуле [11]
RП 
cos    cos  sin  '3 

180
 '3 sin    sin 
cos  cos  sin  3  sin  sin 

180
3
,
(6.3)
где  - широта местности, град;  - склонение солнца, град;  3 и  '3 - часовые углы захода солнца на горизонтальной и наклонной поверхностях,
град.
На рис. 6.2 показаны основные углы, используемые в формулах.
Рис. 6.1. Зависимость среднемесячного коэффициента пересчета
прямого солнечного излучения с горизонтальной плоскости на поверхность коллектора от широты местности
для I-XII месяцев года
Угол склонения солнца в данный день n равен
74


  23,45 sin 360
284  n 
.
365 
(6.4)
I
град
,
Месяцы
Для среднего дня каждого месяца величина  указана в табл. 6.1.
Часовой угол захода (восхода) солнца для поверхности составляет:
при горизонтальном ее размещении
(6.5)
 3  arccos  tg  tg  ,
при наклонном
(6.6)
'3  min3 , arccos tg    tg .
Таблица 6.1
Угол склонения Солнца в средний день I-XII месяцев
II
III
IV
-20,9 -13 -2,4
9,4
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
18,8 23,1 21,2 13,5
2,2
-9,6
-18,9
-23
а
б
Рис. 6.2. Углы, характеризующие положение точки на земной
поверхности (а) и наклонной (б) поверхности коллектора солнечной энергии (КСЭ) относительно солнечных
лучей:  - широта местности;  - часовой угол;  - для
I-XII месяцев года; l – угол падения лучей на наклонную
поверхность коллектора;  - угол высоты солнца; аС - азимут солнца; аН – азимут наклонной поверхности
75
В качестве часового угла захода солнца для наклонной поверхности  '3
принимается меньшая из двух величин, указанных в фигурных скобках.
Значения среднемесячных величин Å , Å Ä , коэффициента ясности атмосферы К Я и температуры наружного воздуха ТВ для некоторых городов приведены в табл. 6.2. Значения коэффициента R Ï для поверхности с углом наклона  , равным широте местности  южной ориентации (азимут аН=0) и
юго-восточной или юго-западной ориентации (аН=15 и 30°), приведены в
табл. 6.3.
86
Таблица 6.2
Среднемесячное суточное поступление суммарной Е и диффузной ЕД солнечной радиации, МДж/(м2день),
на горизонтальную поверхность, коэффициент ясности атмосферы КЯ и температура наружного воздуха ТВ, оС
Климатические
параметры
86
I
II
III
Е
ЕД
КЯ
ТВ
6,34
3,64
0,49
5,9
9,24
5,21
0,51
6,1
12,01
6,21
0,47
8,2
Е
ЕД
КЯ
ТВ
4,05
2,56
0,37
-6,7
6,26
3,87
0,39
-5,6
10,8
5,8
0,45
0,4
Е
ЕД
КЯ
ТВ
3,10
2,29
0,35
-7,6
5,36
3,43
0,39
-7,0
9,72
5,53
0,44
-1,0
Е
ЕД
КЯ
ТВ
1,89
1,75
0,33
-10,2
4,47
3,28
0,40
-9,2
9,31
5,94
0,49
-4,3
Месяцы года
IV
V
VI
VII
о
Сочи (44 с.ш.)
16,54 20,52 22,66 23,62
6,95
8,1
7,78
6,88
0,49
0,53
0,55
0,59
11,7
16,1
19,9
22,8
о
Астрахань (48 с.ш.)
15,84 20,25 23,07 23,62
8,48
9,18
10,0
9,04
0,49
0,53
0,56
0,59
9,9
18,0
22,8
25,3
о
Волгоград (49 с.ш.)
13,9
18,76 21,82 20,53
7,51
9,18
10,0
9,45
0,45
0,49
0,53
0,52
10,0
16,7
21,3
23,6
о
Москва (56 с.ш.)
13,34 18,63 19,74 19,17
7,51
8,31
9,73
10,26
0,46
0,50
0,48
0,49
4,4
11,9
16,0
18,1
VIII
IX
X
XI
XII
20,79
6,34
0,59
23,1
16,96
5,28
0,60
19,9
11,20
4,18
0,56
15,7
6,67
3,34
0,47
11,7
5,13
2,7
0,44
8,2
20,11
7,83
0,58
23,6
14,73
5,98
0,55
17,3
9,18
4,32
0,50
9,6
4,03
2,36
0,34
2,4
2,70
1,83
0,29
-3,2
17,28
7,69
0,51
22,1
12,65
5,84
0,50
16,0
7,29
3,91
0,45
8,0
2,92
2,08
0,29
-0,6
2,16
1,62
0,3
-4,2
15,12
8,1
0,47
16,3
10,0
6,12
0,42
10,7
4,86
3,24
0,37
4,3
2,22
1,53
0,33
-1,9
1,35
1,08
0,31
-7,3
87
Таблица 6.3
Коэффициент пересчета прямой солнечной радиации RП при различных азимутах поверхности аН
Широта,
град.
87
I
II
III
IV
V
35
49
45
50
55
60
1,91
2,26
2,76
3,55
4,94
7,95
1,59
1,79
2,07
2,48
3,06
4,03
1,28
1,38
1,51
1,68
1,92
2,25
1,03
1,06
1,11
1,17
1,25
1,34
0,87
0,88
0,89
0,90
0,93
0,95
35
49
45
50
55
60
1,87
2,21
2,69
3,45
4,79
7,69
1,56
1,76
2,02
2,40
2,97
3,91
1,27
1,37
1,49
1,66
1,88
2,20
1,03
1,07
1,11
1,17
1,25
1,34
0,88
0,88
0,90
0,91
0,93
0,96
35
49
45
50
55
60
1,77
2,06
2,48
3,16
4,36
6,95
1,49
1,66
1,90
2,23
2,73
3,56
1,24
1,33
1,44
1,60
1,80
2,09
1,03
1,07
1,11
1,17
1,25
1,35
0,90
0,90
0,92
0,93
0,95
0,98
Месяцы года
VI
VII
аН=0
0,81
0,83
0,80
0,83
0,80
0,84
0,81
0,85
0,81
0,86
0,82
0,87
о
аН=15
0,82
0,84
0,81
0,84
0,81
0,85
0,82
0,86
0,82
0,87
0,83
0,88
о
аН=30
0,84
0,86
0,84
0,87
0,84
0,87
0,84
0,88
0,84
0,89
0,85
0,90
VIII
IX
X
XI
XII
0,96
0,98
1,01
1,04
1,09
1,15
1,17
1,24
1,33
1,45
1,60
1,61
1,48
1,64
1,86
2,16
2,60
3,28
1,84
2,12
2,55
3,20
4,30
6,44
2,02
2,42
3,02
4,00
5,85
10,48
0,96
0,98
1,01
1,05
1,10
1,16
1,17
1,24
1,33
1,44
1,58
1,80
1,43
1,61
1,82
2,11
2,53
3,18
1,78
2,07
2,49
3,12
4,17
6,24
1,98
2,36
2,94
3,82
5,67
10,15
0,97
0,99
1,03
1,06
1,11
1,17
1,15
1,22
1,30
1,41
1,55
1,74
1,40
1,54
1,73
1,98
2,36
2,93
1,69
1,94
2,30
2,86
3,80
5,65
1,86
2,20
2,71
3,55
5,15
9,15
88
Оптимальная ориентация коллектора солнечной энергии - южная. При
отклонении до 30° к востоку или западу от южного направления годовое количество поступающей солнечной энергии уменьшается на 5-10 %.
Оптимальный угол наклона абсорбера  равен широте местности  для
систем круглогодичного действия,  =  +15° - для установок, работающих
только в отопительный сезон, и  =  -15° - для систем, работающих только в
летний период.
Коллекторы можно размещать на наружных ограждениях здания (крыше, стенах, ограждениях балконов и т. п.) или отдельно от него, но стоимость солнечной системы теплоснабжения значительно снижается при совмещении улавливающих излучение устройств с крышей здания. Следует
подчеркнуть, что теплопроизводительность установок уменьшается на 2-5%
при затенении непрозрачными конструктивными элементами и запылении.
6.2.
Выбор коллекторов солнечной энергии для систем
нетрадиционного теплоснабжения зданий
Тепловая эффективность плоских коллекторов повышается путем снижения оптических и тепловых потерь благодаря применению нескольких слоев
прозрачной изоляции (остекления); селективных покрытий; вакуумирования
пространства между лучепоглощающей поверхностью и прозрачной изоляцией и т. п. Однако следует помнить, что сложное конструктивное исполнение приводит к возрастанию стоимости установок солнечного теплоснабжения.
Коэффициент полезного действия (мгновенный) коллектора равен [11]
Ê 
q K mK ñP ÒÒ.Ê  ÒÒ.Í 

,
IK
IK
(6.7)
где qK - удельная теплопроизводительность солнечного коллектора, т. е. количество полезной теплоты, получаемой с 1 м2 площади абсорбера за 1 с,
Вт/м2; IK - плотность суммарного потока солнечной радиации, поступающей
на остекление коллектора, Вт/м2; mK - удельный массовый расход теплоносителя в поглощающей панели, кг/(м2·с); сP - удельная изобарная теплоемкость
теплоносителя, Дж/(кг·К); ТТ.Н, Т Т.К -температура теплоносителя на входе в коллектор и выходе из него, оС.
Мгновенный КПД плоского коллектора можно также определить по
формуле
 К  0 
KТ
Т Т .Н  Т В  ,
IK
(6.8)
89
где КТ - коэффициент теплопотерь коллектора, Вт/(м2·К); ТВ - температура наружного воздуха, °С;  0  эффективный оптический КПД солнечного коллектора.
Зависимость мгновенного КПД  К от соотношения (ТТ.Н -ТВ)/IK определяется при испытании установки и изображается прямой с нулевой ординатой, равной оптическому КПД при нормальном падении лучей  0О , а тангенс угла наклона прямой дает величину КТ. На рис. 6.3 показаны характеристики наиболее распространенных типов солнечных коллекторов. Эффективный оптический КПД для этих устройств с южной ориентацией
составляет  0  0,95  0О при однослойном остеклении и  0  0,93  0О при
двухслойном остеклении.
Рис. 6.3. Характеристики различных типов коллекторов солнечной
энергии: 1 – неселективный плоский коллектор с двухслойным остеклением и алюминиевым штампованным
абсорбером; 2 – то же с антиотражательным покрытием
на поверхностях остекления; 3 – селективный плоский
коллектор с покрытием «черный хром» на стальном абсорбере; 4 – вакуумированный стеклянный трубчатый
коллектор с селективным концентрическим абсорбером;
5 - неселективный плоский коллектор с однослойным
остеклением
КПД коллектора солнечной энергии равен нулю в том случае, если
плотность потока солнечной энергии IK не превышает критического значения:
I КР 
КК
0
Т Т .Н
 Т В .
(6.9)
90
Следовательно,  К >0 при IK>IKP, а средняя величина КПД за определенный период времени (день, месяц, год) равна
 К   К I K  / I K .
(6.10)
Суммирование производится только для тех отрезков времени, когда
IK >IKP, при этом I K  средняя плотность потока солнечной энергии для рассматриваемого периода, Вт/м 2.
В табл. 6.4 приведены значения максимальной температуры теплоносителей Т ТМАКС , оптического КПД  0 и коэффициента теплопотерь КТ основных
типов коллекторов.
Мгновенное количество полезной энергии, получаемой в коллекторе, Вт,
определяется по формуле [11]
QK  FK I K0  K K TT .H  TВ   mK C P FK TT .K  TT .H  ,
(6.11)
где FK -площадь абсорбера в устройстве, м2.
Таблица 6.4
Основные технические параметры коллекторов солнечной энергии
Тип коллектора
Неселективные плоские коллекторы:
с однослойным остеклением
с двухслойным остеклением
без остекления
Селективные плоские коллекторы:
с однослойным остеклением
с двухслойным остеклением
Фоклин (коэффициент концентрации 1,5)
Параболоцилиндрический концентратор
Вакуумированный стеклянный
трубчатый коллектор
о
Т ТМАКС , С
0
КТ, Вт/(м2·К)
80
0,7-0,85
0,65-0,8
0,9-0,95
7-10
4-6
18-22
100
0,65-0,8
0,6-0,75
4,5-6
3-4
120
0,6
0,7-0,8
300
0,65-0,85
0,6-0,9
120-250
0,5-0,75
1-2
Среднемесячную удельную суточную теплопроизводительность установки, МДж/(м2·день), можно найти по зависимости
q K  E K   0 ,
(6.12)
где EK - среднемесячное поступление солнечной энергии на поверхность
коллектора за день, МДж/(м2·день);   cреднемесячная величина степени
91
использования солнечной радиации, то есть доля от общего количества солнечной энергии, поступающей на поверхность устройства при IК >IКP.
Годовая теплопроизводительность системы солнечного теплоснабжения
C
K
на величиQ ГОД меньше годовой теплопроизводительности коллектора Q ГОД
ну теплопотерь в трубопроводах, аккумуляторе теплоты и системе распределения теплоты, а также на величину неиспользованного избытка полезной
энергии, которая тем больше, чем больше площадь установленных коллекторов и меньше доля нагрузки горячего водоснабжения.
Среднемесячная величина степени использования солнечной радиации 
зависит от оптического КПД и теплопотерь коллектора, а также от местоположения и назначения гелиосистемы. Эту зависимость можно представить в виде формулы [11]
  1  а1 Р  а2 Р 2 .
(6.13)
Параметр Р, входящий в зависимость (6.13), определяется соотношением
Р  Т Т .Н  Т В  К Я ,
(6.14)
где Т Т .Н и Т В - среднемесячные температуры теплоносителя на входе в коллектор и наружного воздуха, °С; К Я - среднемесячная величина коэффициента ясности атмосферы (см. табл. 6.2); а1 и а2 - коэффициенты для основных
типов коллекторов, приведены в табл. 6.5.
Таблица 6.5
Основные характеристики коллекторов солнечной энергии
Тип коллектора
Неселективные плоские коллекторы:
с однослойным остеклением
с двухслойным остеклением
Селективные плоские коллекторы:
с однослойным остеклением
с двухслойным остеклением
Параболоцилиндрический концентратор
Вакуумированный стеклянный трубчатый коллектор
0
КТ,
Вт/(м2·К)
а1·103
а2·106
0,78
0,73
8,0
4,6
10,7
6,9
29,3
12,7
0,75
0,7
5,5
3,5
7,9
5,6
16,4
8,7
0,65
0,8
1,6
1,2
0,6
1,5
8,0
8,0
При большой площади поглощающих панелей отдельные их модули
соединяются между собой по параллельно-последовательной схеме, образуя
массив или поле коллекторов. Эффективность поля практически всегда
ниже КПД отдельного модуля из-за теплопотерь соединительных трубо-
92
проводов, неравномерности распределения теплоносителя, тепловой инерции и т.п.
6.3. Выбор аккумуляторов теплоты
Применение аккумуляторов теплоты повышает надежность систем солнечного теплоснабжения сооружений, обеспечивает покрытие нагрузки ночью и при повышенной облачности, снижает расход топлива.
Системы аккумулирования теплоты работают на основе накопления явной или скрытой теплоты и характеризуются энергоемкостью, мощностью
потоков подводимой и отводимой теплоты, продолжительностью цикла
аккумулирования (краткосрочное - от 6-12 ч до 10 сут и долгосрочное - от
10 сут до нескольких месяцев), объемной плотностью энергии, диапазоном
температур, коэффициентом теплопотерь, капитальными и эксплуатационными затратами. Эти устройства включают теплоаккумулирующий материал, резервуар или теплообменник и тепловую изоляцию. В жидкостных
системах солнечного теплоснабжения для аккумулирования теплоты используются в основном баки с горячей водой, обладающей высокой теплоемкостью, а в системах с воздушным коллектором - резервуары с галькой и
другими твердыми материалами.
Количество аккумулированной теплоты при отсутствии фазовых переходов равно:
(6.15)
Q  mCP T2  T1  ,
где T1 и Т2 - температура теплоаккумулирующего материала до и после зарядки устройства, °С; m – масса теплоаккумулирующего материала, кг;
CP - удельная изобарная теплоемкость теплоаккумулирующего вещества,
кДж/(кг·°С).
При суточном аккумулировании теплоты удельный объем водяного бака-аккумулятора принимается равным 0,05-0,15 м3, а галечного аккумулятора в случае воздушной системы солнечного теплоснабжения 0,15-0,35 м3 на 1м2 площади поверхности коллектора.
Применение теплоаккумулирующих материалов фазового перехода
(плавление-затвердевание) обеспечивает большую объемную плотность аккумулируемой энергии и позволяет уменьшить их массу и объем (табл. 6.6).
Количество теплоты, аккумулируемой при плавлении, определяется зависимостью
Q  mCT Т ПЛ  Т1   i ПЛ С Ж Т 2  Т ПЛ  ,
(6.16)
где СТ и СЖ —удельные теплоемкости твердого и жидкого теплоаккумулирующего материала, кДж/(кг·°С); i ПЛ  скрытая теплота плавления теплоаккумулирующего материала, кДж/кг; ТПЛ - температура плавления, оС.
93
Таблица 6.6
Основные характеристики теплоаккумулирующих материалов
Теплоаккумулирующие
материалы
93
Бетон
Грунт (мелкие куски)
Галька, гранит
Вода
Расплав калий-натриевых солей (46% NaNO3-54% KNO3)
CaCl2 6H2O
Na2SO4 10H2O
Na2HPO4 12 H2O
Лауриновая кислота
Миристиновая кислота
Пальмитиновая кислота
Парафин 2
Октадекан
н-Эйкозан
ТПЛ,
о
С
Плотность,  ,
кг/м3
т
ж
2200
2560
2640
1000
29,2
32,4
35,2
44,0
54,1
65,0
42,0
28,0
36,7
1620
1460
910
860
1735
1500
1410
1420
910
870
880
77
790
780
ТеплопроводТеплоёмкость, с, Энтальпия фазового перехоность,  , Вт/(м К)
КДж/(кг К)
да, iÏË ,
ст
сж
т
ж
КДж/кг
0,90,96
1,75
0,84
0,52
0,88
1,7-4,0
0,7
4,19
0,6
0,5
0,5
0,4
-
0,57
0,3
0,3
0,2
0,1
0,2
1,47
1,76
1,55
1,60
1,80
2,08
2,10
2,01
1,56
1,47
3,31
3,18
2,26
2,73
2,17
2,21
172,5
251,0
279,6
175,3
187,8
184,5
187,8
244,5
247,0
94
6.4.
Общие положения расчета систем солнечного
отопления и горячего водоснабжения
Точный тепловой расчет систем солнечного теплоснабжения зданий затрудняется из-за влияния случайных колебаний климатических условий и
сложного характера взаимодействия между элементами системы. Поэтому в
инженерной практике обычно используются полуэмпирические методы, которые основаны на обобщении результатов подробного моделирования тепловых процессов с помощью ПЭВМ и дают возможность получить долгосрочные характеристики гелиосистем.
Целью расчета таких систем является определение удельной суточной
тепловой производительности системы qc ; площади FK лучепоглощающей
поверхности абсорбера; объема теплового аккумулятора VAK ; удельного
массового расхода теплоносителя в контуре улавливания солнечной энергии
mK; ориентации (азимута аН) и угла наклона  коллектора к горизонту;
площади поверхностей нагрева теплообменников в контурах гелиосистемы
и потребителя; годовой степени замещения топлива fгод и расхода дополнительной энергии QД.Н.Э..
Исходные данные для расчета солнечного теплоснабжения зданий
включают:
а) местоположение гелиосистемы - широту, долготу и высоту местности
над уровнем моря;
б) климатические данные: среднемесячное дневное количество суммарной Е и диффузной ЕД солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, температуру наружного воздуха ТВ;
в) характеристики коллектора солнечной энергии  0 и КТ, геометрические
размеры его модуля, число слоев остекления, вид теплоносителя;
г) месячную тепловую нагрузку отопления Q0 или данные для ее расчета;
д) среднемесячные значения температур холодной ТХ.В и горячей ТГ.В. воды;
е) суточное общее потребление горячей воды VГ.В.
В соответствии с п. 3.2 выбирают тип и схему гелиосистемы, а по п. 3.2 и
6.2 - тип и характеристики устройства. Системы горячего водоснабжения,
теплоноситель которых нагревается за счет солнечной радиации при его естественной циркуляции, следует применять при общей площади поглощающих панелей до 20 м2 для индивидуальных потребителей. В гелиосистемах
отопления и горячего водоснабжения с большей площадью коллекторов необходимо использовать принудительную циркуляцию теплоносителя.
При проектировании систем солнечного теплоснабжения вначале выбирают схемное решение и оборудование, а затем последовательно выполняют тепловой, гидравлический и технико-экономический расчеты с оптимизацией принятых разработок.
95
В отличие от традиционных систем теплоснабжения, при проектировании
которых для подбора оборудования достаточно определить часовые расходы
теплоты, при расчете альтернативных решений необходимо вычислять месячные расходы теплоты. Расход теплоты, кДж, на горячее водоснабжение в
конкретном месяце равен:
3
QГ .В.i  QГСУТ
(6.17)
. В. n Д  4,19  10 V Г . В Т Г . В  Т Х . В Nn Д ,
где VГ.В - суточный расход горячей воды на одного человека по нормам,
м3/(день чел.); N - число жителей; nД - число дней в данном месяце; ТГ.В. ,
ТХ.В. - температуры горячей и холодной воды, °С (значения ТХ.В. и nД изменяются по месяцам, а остальные величины постоянные); QГСУТ
. В - суточный расход теплоты на горячее водоснабжение, кДж.
Месячный расход теплоты на отопление Qoi определяют путем умножения среднечасового расхода теплоты QOЧ на 24пД. Величина QOЧ определяется
по общепринятой методике вычисления нагрузки на систему отопления, однако в качестве расчетной температуры принимается среднемесячная температура наружного воздуха ТВ. Расчет Qoi ведется отдельно для каждого месяца отопительного периода.
Нагрузка на систему теплоснабжения, то есть расход теплоты, кДж/мес,
на отопление и горячее водоснабжение для данного i-го месяца определяется суммированием
(6.18)
QÍ .i  QO.i  QÃ .Â.i .
Годовые расходы теплоты на отопление, горячее водоснабжение и на
теплоснабжение в целом будут равны:
12
12
i 1
i 1
QÎ   QOi ; Q Ã .Â.   Q Ã . Â.i
12
и QH   QHi .
(6.19)
i 1
Определить суточную теплопроизводительность гелиосистемы и степени замещения топлива солнечной энергией можно следующим образом. Для
среднего дня каждого месяца рассчитывают количество солнечной энергии,
поступающей на наклонную поверхность коллектора. Для этого определяют
угол склонения солнца  по формуле (6.4); часовые углы захода солнца для
горизонтальной  3 и наклонной  '3 поверхностей по формулам (6.5) и (6.6);
среднемесячные коэффициенты пересчета солнечной радиации R П и R по
формулам (6.2), (6.3) и при использовании рис. 6.1, табл. 6.3; среднемесячное дневное количество солнечной энергии ЕК, поступающей на поверхность
модуля, по формуле (6.1).
Вследствие нестабильности поступления солнечной энергии системы
альтернативного отопления должны работать с дополнительным (резервным) источником энергии (котельная, теплосеть и т.п.), обеспечивающим
при необходимости 100 % тепловой нагрузки. В то же время системы солнечного горячего водоснабжения сезонного действия могут быть запроектированы без дублера, если не предъявляются жесткие требования по беспере-
96
бойному обеспечению водой (летние душевые, пансионаты, пионерские лагеря и т. п.).
Для систем солнечного отопления тепловой расчет рекомендуется выполнять для апреля (для марта для южных районов при  = 45° с. ш. и южнее). В этом месяце вся тепловая нагрузка должна обеспечиваться за счет
солнечной энергии.
При проектировании гелиотопливных систем теплоснабжения необходимо исходить из того, что экономически целесообразно покрывать за счет
солнечной энергии лишь определенную долю fгод годовой тепловой нагрузки
QНГОД отопления и горячего водоснабжения, а остальную часть тепловой нагрузки должен обеспечивать дублирующий источник:
Q ДИЭ  1  f ГОД QНГОД .
(6.20)
Годовая доля солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки или
степень замещения топлива составляет
f ГОД  fQ НМ / QНМ .
(6.21)
Месячная степень замещения топлива
M
M
M
Q ДИЭ
QCM QH  Q ДИЭ
f  M 
 1 M ,
QH
QHM
QH
(6.22)
M
где QHM , QCM , Q ДИЭ
- месячные величины тепловой нагрузки и теплоты, обеспечиваемой солнечной радиацией и дополнительным источником энергии,
ГДж/месяц.
Для расчета по формуле (6.12) среднемесячной суточной удельной теплопроизводительности коллектора qк по табл. 6.4 и 6.5 выбираем его характеристики и коэффициенты а1 и а2; определяем параметр Р по формуле
(6.14) и величину  по формуле (6.13).
Удельный объемный расход теплоносителя Vк для жидкостных гелиосистем следует принимать равным Vк=0,01-0,02 л/(м2·с), для воздушных 0,005-0,02 м3/(м2·с).
Удельный объем водяного аккумулятора теплоты VAK=0,05—0,1 м3, галечного - VAK=0,15—0,35 м3 на 1 м2 площади поверхности коллектора.
Годовая (сезонная) теплопроизводительность системы QCГОД и степень
замещения f CГОД для систем солнечного горячего водоснабжения меньше
QКГОД и QКГОД и f ГОД на 25-35 %, а для теплоснабжения - на 30-50 % из-за теплопотерь в применяемых устройствах и неиспользуемого избытка полезной теплоты.
Годовая экономия топлива, т условного топлива, обеспечиваемая использованием солнечной энергии
В  f ГОД QHГОД / QT ТГ  ,
(6.23)
где f ГОД - годовая степень замещения; QНГОД - годовая нагрузка теплоснабжения, ГДж/год; QТ=29,3 кДж/т у. т. - теплота сгорания топлива, отнесенная к 1 т
97
условного топлива; ТГ - КПД теплогенерирующей установки, равный 0,45 и
0,6 для индивидуальных теплогенераторов на твердом и жидком (газообразном) топливе, 0,6-0,7 и 0,7-0,8 - для котельных производительностью 20-100
ГДж/ч и более на твердом и жидком (газообразном) топливе.
Годовая экономия, р., составляет
ЭГОД  СТ f ГОД QНГОД / ТГ ,
(6.24)
где СТ - стоимость тепловой энергии от топливной теплогенерирующей установки, р./ГДж.
Для предварительного расчета систем солнечного теплоснабжения рекомендуется использовать зависимости f от безразмерного параметра
  Е К FK / QH , приведенные на рис. 6.4. При построении этих зависимостей
принято: а) в базовой системе используется плоский коллектор с
неселективным
двухслойным остеклением,
имеющий отношение
2 о
КТ/  0 =6,3 Вт/(м · С), оптимальный угол наклона установки  опт к горизонту и южную ориентацию; б) удельный объем водяного аккумулятора теплоты равен 0,05 м3/м2 площади абсорбера. При применении устройств,
имеющих другие значения отношения КТ/  0 , необходимо внести соответствующую поправку в расчет.
а
б
Рис. 6.4. Обобщенные зависимости f от  для гелиосистем
горячего водоснабжения (а), отопления и горячего
водоснабжения (б)
Величины потока солнечной энергии на поглощающую поверхность Ек и
тепловой нагрузки QH следует определять для расчетного периода: для горячего водоснабжения круглогодичного или сезонного действия - 1 год или
летний сезон, а для систем отопления - каждый месяц отопительного сезона.
Можно принимать следующие ориентировочные значения коэффициента
пересчета R солнечной энергии с оптимальным углом наклона коллектора к
98
горизонту: R = 1,4 для гелиосистем отопления (при  опт=  +15°); R =1,05 для
сезонного горячего водоснабжения (при  опт=  -15°) и R = 1,1 для альтернативного теплоснабжения круглогодичного действия (при  опт=  ).
Для гелиосистем отопления и горячего водоснабжения пользоваться зависимостью f от  следует только на месячной основе.
С помощью зависимостей f от  можно решать две задачи: а) определение годовой величины fгод при заданной площади поверхности коллектора
Fк; б) определение площади Fк, обеспечивающей заданное значение fгод.
Последовательность решения первой задачи: для расчетного периода
(год, сезон, месяц) определяют QН и ЕK; вычисляют параметр ; по рис. 6.4
находят fгод; рассчитывают из зависимостей (6.20, 6.22) годовые (месячные)
количества полезной энергии системы солнечного теплоснабжения QС и энергии QДИЭ, подводимой от топливного источника:
QC  f ГОД QHГОД и Q ДИЭ  1  f ГОД QНГОД .
Площадь поверхности коллектора, необходимую для обеспечения требуемой величины fгод, определяют по формуле
(6.25)
FK    QH / Е К .
2
Величину Fк, м , можно также рассчитать по выражению
(6.26)
FK  QH qC .
Тепловая нагрузка QН и удельная теплопроизводительность qC системы
сильно изменяются в течение года, поэтому формула (6.25) дает лишь ориентировочные значения Fк.
6.4.1. Расчет сезонных систем горячего водоснабжения
1. Площадь поверхности коллектора для сезонной системы солнечного горячего водоснабжения, работающей с апреля по сентябрь, можно упрощенно определить по зависимости
FK  VГ .В / q Г , ВТ  ,
(6.27)
где VГ.В - средний суточный расход горячей воды, л/день; qГ.В. - среднесезонная суточная удельная производительность системы по горячей воде,
л/(м2·день); Т =0,8  0,85 - коэффициент, учитывающий теплопотери трубопроводов и принимаемый равным Т =0,8  0,85.
1. Величину qГ.В. следует определять в зависимости от суточного поступления солнечной энергии Е на горизонтальную поверхность по рис. 6.5.
99
Рис. 6.5. Зависимость удельной суточной производительности
Если в системе не предусмотрен резервный источник теплоты, то расчет ведется по величине Е для апреля, но при этом в летние месяцы будет
возникать неиспользуемый избыток теплоты. Если же резервный источник
теплоснабжения предусмотрен, то расчет выполняется для июня, тогда в
остальной период года система обеспечит долю fср нагрузки, а резервный источник даст (1—fср)QГ.В теплоты.
6.4.2. Уточнение теплового расчета с учетом действительных
характеристик систем солнечного теплоснабжения
Для систем круглогодичного действия предварительный расчет следует
выполнять с помощью зависимостей f от , приведенных на рис. 6.4. Основное влияние на величину FK оказывают характеристики коллектора, объем
аккумулятора теплоты и метеоусловия. При разработке метода расчета
принят неселективный плоский коллектор с двухслойным остеклением,
для которого К Т /  0 =6,3 Вт/(м2·оС).
При применении устройств с другим значением К Т /  0 расчетную величину FK необходимо разделить на поправочный коэффициент  К , который
можно определить по рис. 6.6, а. Влияние удельного объема аккумулятора
тепла (для базового варианта принят V АКБАЗ =0,05 м3/м2) на величину FK можно
учесть с помощью поправочного коэффициента  АК (рис. 6.6, б).
При значительном отклонении угла наклона коллектора от оптимального значения  опт и азимута от аН=0 (южное направление) величину FK необходимо увеличить с учетом поправочных коэффициентов   и  а (значения
100
  для  = 50° с. ш. приведены на рис. 6.6, в, а значения коэффициента  а -
на рис. 6.6, г).
а
б
в
г
Рис. 6.6. Графики для определения поправочных коэффициентов
Окончательная расчетная величина площади поверхности поглощающей панели равна [11]
FК .РАСЧ  FK /  К  АК      .
(6.28)
При выборе солнечных систем следует пользоваться табл. 6.7.
Расчет и выбор вспомогательного оборудования (теплообменников, насосов, вентиляторов, дублирующих источников энергии, расширительного
бака, системы регулирования и т. п.) ведется по общепринятым методикам.
Подробный тепловой расчет ССТ может быть выполнен по методам f- и
Ф—f-кривой [16].
101
Таблица 6.7
Рекомендуемые параметры солнечных систем теплоснабжения зданий
Тип системы
101
Система солнечного отопления
с коллектором:
жидкостным
воздушным
Система солнечного горячего
водоснабжения:
сезонного действия
круглогодичного действия
Система нагрева воды для
плавательного бассейна с
колектором:
наклонным
горизонтальным
Удельный расход теплоносителя,
м3/с, на
1
м2
площади
коллектора
Удельный объём аккумулятора, м3
на
1м2
площади
коллектора
Размер
Высота
частиц в слоя
галечном гальки,
аккумум
ляторе,
м
0,01-0,02 0,05-0,15
0,0050,15-0,35 0,02-0,03
0,02
Угол наклона к
горизонту, град.
Ориентировочная
площадь поверхности
неселективного плоского
коллектора
с
двухслойным остеклением
или
селективного
с
однослойным остеклением
1-2,5
   +15
-
-
-
-
-
   -15
 
0,75  1,2
 на 1 чел
0,75  1,2
-
-
-
-
 
(0,5-0,65)FБАС
(0,6-0,75) FБАС
-
48
Приложение 1
Суммарное месячное поступление солнечной энергии (прямой и рассеянной)
на горизонтальную поверхность при безоблачном небе в зависимости от географической широты, МДж/(м2·мес)
Валовый потенциал солнечной энергии (прямой и рассеянной)
на вертикальную поверхность при безоблачном небе в зависимости
от географической широты, МДж/м2
Уравнение*
Ориентация
R2
Январь
В/З
I  413,98  ln( )  1768,02
0,99
ЮВ/ЮЗ
I  680,79  ln( )  3042,72
0,98
Ю
I  936,33  ln( )  4171,65
0,98
Февраль
В/З
I  0,07   2  1,47    323,36
1,00
ЮВ/ЮЗ
I  0,15   2  8,96    369,71
1,00
Ю
I  0,42   2  34,34    93,86
0,98
Март
СВ/СЗ
I  0,01345   3  2,13095   2  107,24306    1553,64286
0,95
В/З
I  0,01259   3  2,13393   2  113,60218    1547,21429
0,98
ЮВ/ЮЗ
I  0,01519   3  2,54315   2  139,13790    1924,07143
0,94
Ю
I  0,01606   3  2,96503   2  176,29365    2718,28571
0,94
Апрель
С
СВ/СЗ
В/З
ЮВ/ЮЗ
Ю
I  0,00162   3  2,22004   2  9,26822    5,25325
0,95
I  0,00773   3  1,17025   2  57,22610    654,45455
0,96
I  0,01117   3  1,76021  2  88,23449    1859,89610
0,97
I  0,23   2  16,08    772,91
0,99
I  0,02083   3  3,13988   2  145,07738    2568,28571
0,97
Май
С
I  0,00005759   5  0,01530574   4  1,62121667   3 
 85,54976144   2  2247,25995058    23648,71503622
0,97
49
Продолжение таблицы 2.2
Уравнение*
Ориентация
R2
I  0,000005256   6  0,001765794   5  0,245081715   4 
СВ/СЗ
В/З
ЮВ/ЮЗ
Ю
 17,982568748   3  735,471251928   2 
 15892,933393865    142050,111341135
0,96
I  0,07   2  10,10    169,70
0,97
I  0,05   2  5,64    147,84
1,00
I  0,07   2  19,80    356,09
1,00
Июнь
С
I  0,15   2  12,70    467,41
0,99
СВ/СЗ
I  0,21  2  17,28    707,55
0,99
В/З
I  0,16   2  10,64    632,05
1,00
ЮВ/ЮЗ
I  443,80  ln( ) 1233,52
0,99
Ю
I  641,97  ln( )  2114,55
1,00
Июль
С
I  0,001875   4  0,403241  3  32,306877   2 
 1140,832364    15160,910714
0,99
I  0,01369   3  2,01901  2  99,66595    1309,56494
0,99
В/З
I  0,11   2  5,51    509,38
0,97
ЮВ/ЮЗ
I  0,10   2  1,04    276,82
0,99
I  661,30  ln( )  2156,88
1,00
СВ/СЗ
Ю
Август
С
I  0,00004883   5  0,01257694   4  1,28397254   3 
 64,95407197   2  1629,04999996    16347,79220716
0,97
СВ/СЗ
I  0,02   2  3,14    368,14
0,98
В/З
I  0,10   2  7,82    600,64
0,99
ЮВ/ЮЗ
I  352,34  ln( )  845,51
0,99
Ю
I  474,27  ln( ) 1360,38
0,99
Продолжение таблицы 2.2
50
Уравнение*
Ориентация
R2
Сентябрь
СВ/СЗ
I  0,04   2  5,47    372,00
1,00
В/З
I  0,06   2  5,16    268,43
0,98
ЮВ/ЮЗ
I  0,19   2  22,62    130,29
0,97
I  0,02214   3  3,88690   2  228,54464    3894,35714
0,98
Ю
Октябрь
СВ/СЗ
I  231,51 ln( )  1024,80
1,00
В/З
I  333,12  ln( )  1572,20
0,99
ЮВ/ЮЗ
I  156,44  ln( )  1107,66
0,98
I  0,33   2  30,90    97,50
0,96
Ю
Ноябрь
В/З
I  0,06   2  0,37    350,50
1,00
ЮВ/ЮЗ
I  0,22   2  13,16    293,79
1,00
Ю
I  0,46   2  34,68    18,36
1,00
Декабрь
В/З
I  0,04   2  10,96    587,07
1,00
ЮВ/ЮЗ
I  0,15   2  1,11   645,64
1,00
I  0,37   2  19,05    476,00
1,00
Ю
*
y- валовый потенциал солнечной энергии (прямой и рассеянной) на горизонтальную поверхность при безоблачном небе, МДж/м2;
φ - географическая широта, ос.ш..
Ориентация
Уравнение
Год
*
Продолжение таблицы 2.2
R2
51
С
СВ/СЗ
В/З
ЮВ/ЮЗ
Ю
*
y  0,00047607  5  0,12645005  4  13,34875118  3 
 700,21448867  2  18249,62954624    189825,63637221
y  0,00075746  5  0,19381693  4  19,69561298  3 
 993,58373401  2  24891,13665609    249926,23777431
y  0,00300418  5  0,77637231 4  79,71828562  3 
 4064,78003913  2  102929,04168544    1039918,68011547
y  0,00686912  5  1,78100472  4  183,37494537  3 
 9369,80615381 2  237546,00958036    2395838,89694553
y  0,00589161 5  1,51104608  4  153,94696743  3 
 7784,45955374  2  195271,25213437    1949334,65392507
0,99
1,00
1,00
1,00
1,00
y- валовый потенциал солнечной энергии (прямой и рассеянной) на вертикальную поверхность при безоблачном небе, МДж/м2;
φ - географическая широта, ос.ш.
52
Для учёта реальной облачности конкретных районов строительства
значения, полученные по уравнениям таблиц 1.1-1.3, необходимо умножить
на соответствующий поправочный коэффициент, представленный в таблице
2.4, который предлагается оценивать как отношение валового потенциала
солнечной энергии при действительных условиях облачности ( I о ) к значению валового потенциала солнечной энергии при безоблачном (ясном) небе
( I Я )
I О
(2.8)
 Я .
I
Таблица 2.4
Поправочный коэффициент  ослабления валового потенциала солнечной энергии (СЭ) для некоторых регионов России
Показатели
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности. МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
IX
X
XI
XII
276
379
615
737
879
891
882
776
634
474
315
250
132
182
316
500
670
708
700
616
438
284
148
104
0,48
0,48
0,51
0,68
0,76
0,79
0,79
0,79
г. Краснодар (Краснодарский край, 45˚ 2' с.ш.)
0,69
0,60
0,47
0,42
244
348
594
718
871
885
881
759
604
434
281
217
117
184
314
440
595
636
653
540
402
264
130
75
0,48
0,53
0,53
0,61
0,68
0,72
0,74
0,71
г. Сочи (Краснодарский край, 43˚ 35' с.ш.)
0,67
0,61
0,46
0,35
268
371
610
732
877
890
882
772
626
464
307
242
136
203
326
446
610
710
732
645
467
329
190
117
0,51
0,55
0,53
0,61
0,69
0,80
0,83
0,83
Гигант (Ростовская область, 46˚ 33' с.ш.)
0,75
0,71
0,62
0,48
228
332
583
708
867
883
882
751
588
414
264
201
126
190
333
464
647
672
678
597
429
276
126
80
0,55
0,57
0,57
0,65
0,75
0,76
0,77
0,79
г. Цимлянск (Ростовская область, 47˚ 39' с.ш.)
0,73
0,67
0,48
0,40
53
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
I
Месяц года
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
Северо-Кавказский регион
г. Махачкала (Республика Дагестан, 42˚ 59' с.ш.)
54
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
213
318
572
700
863
881
883
743
575
396
249
186
Продолжение таблицы 2.4
Показатели
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
Сред. знач. коэфф. облач.
Месяц года
VI
VII
695
671
I
110
II
176
III
332
IV
477
V
663
0,52
0,55
0,58
0,68
0,77
0,79
0,51
0,53
0,54
0,65
0,73
0,77
VIII
597
IX
427
X
247
XI
115
XII
68
0,76
0,81
0,74
0,63
0,46
0,36
0,78
0,79
0,71
0,64
0,49
0,40
Центрально-Чернозёмный регион
г. Воронеж (Воронежская область, 51˚ 43' с.ш.)
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
Сред. знач. коэфф. облач.
268
530
670
851
876
882
717
528
333
195
135
84
142
289
385
565
620
590
473
326
176
80
50
0,52
0,53
0,55
0,57
0,66
0,71
0,67
0,66
Каменная степь (Воронежская область, 51˚ с.ш.)
0,62
0,53
0,41
0,37
184
289
548
682
856
878
883
728
548
359
217
156
98
176
314
418
599
630
609
515
344
188
86
65
0,53
0,61
0,57
0,61
0,70
0,72
0,69
0,71
г. Курск (Курская область, 51˚ 44' с.ш.)
0,63
0,52
0,40
0,42
163
268
530
670
851
876
882
717
528
333
195
135
84
172
274
372
554
605
584
475
316
165
67
52
0,52
0,64
0,52
0,56
0,65
0,69
0,66
0,66
0,60
0,50
0,34
0,38
0,52
0,59
0,54
0,58
0,67
0,70
0,67
0,68
0,61
0,52
0,38
0,40
506
304
170
111
Центральный регион
г. Павелец (Рязанская область, 53˚ 47' с.ш.)
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
139
245
506
655
845
876
878
704
54
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
163
56
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Показатели
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
Сред. знач. коэфф. облач.
159
295
400
561
609
584
481
Продолжение
таблицы
2.4
339
203
74
46
I
0,55
Месяц года
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
0,65
0,58
0,61
0,66
0,69
0,67
0,68
г. Москва (Московская область, 55˚ 45' с.ш.)
IX
0,67
X
0,67
XI
0,43
XII
0,42
117
223
482
642
840
875
872
693
485
276
147
88
58
130
270
388
563
615
568
462
288
134
56
31
0,50
0,58
0,56
0,61
0,67
0,70
0,65
0,67
г. Иваново (Ивановская область, 57˚ с.ш.)
0,60
0,49
0,38
0,35
103
210
466
634
837
874
868
685
473
259
132
75
38
88
163
215
264
285
285
235
142
84
34
25
0,37
0,42
0,35
0,34
0,32
0,33
0,33
0,34
г. Кострома (Костромская область, 57˚ 48' с.ш.)
0,30
0,32
0,26
0,33
95
202
456
629
834
873
865
681
465
249
123
66
46
121
266
404
546
600
590
455
254
109
44
27
0,48
0,60
0,58
0,64
0,65
0,68
0,68
0,67
г. Смоленск (Смоленская область, 54˚ 48' с.ш.)
0,55
0,44
0,36
0,41
128
234
494
649
842
875
875
698
495
289
158
99
63
128
249
379
563
620
580
446
296
140
52
40
0,49
0,47
0,55
0,55
0,51
0,50
0,58
0,67
0,71
0,66
0,53
0,54
0,57
0,55
Северо-Западный регион
0,64
0,56
0,60
0,50
0,49
0,45
0,33
0,34
0,40
0,38
55
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
77
57
г. Валдай (Новгородская область, 57˚ 57' с.ш.)
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Показатели
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
93
200
454
628
834
873
865
680
463
42
107
267
375
532
588
562
422
Продолжение
таблицы
2.4
245
107
40
25
I
0,45
Месяц года
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
0,53
0,59
0,60
0,64
0,68
0,65
0,62
0,53
г. Санкт-Петербург (Ленинградская область, 59˚ 56' с.ш.)
247
121
64
X
0,43
XI
0,33
XII
0,39
180
427
616
829
870
858
669
444
221
100
43
21
71
214
331
515
578
545
394
230
92
25
8
0,39
0,50
0,54
0,62
0,66
0,64
0,59
Николаевское (Ленинградская область, 58˚ 55' с.ш.)
0,52
0,42
0,25
0,19
83
190
441
622
832
872
861
675
454
234
111
54
35
94
247
362
534
614
561
440
249
111
34
23
0,50
0,56
0,58
0,64
0,70
0,65
0,65
Новая Ладога (Ленинградская область, 60˚ 06' с.ш.)
0,55
0,47
0,31
0,43
68
169
406
612
825
877
856
660
454
208
84
47
31
115
262
375
584
622
572
420
236
94
29
15
Сред. знач. коэфф. облач.
0,46
0,4
0,68
0,50
0,65
0,56
0,61
0,71
0,71
0,67
0,64
0,58
0,65
0,69
0,65
0,63
Северный регион
г. Вологда (Вологодская область, 59˚ 14' с.ш.)
0,52
0,53
0,45
0,44
0,34
0,31
0,32
0,33
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
80
187
451
230
107
51
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
0,29
0,42
437
620
831
871
860
673
56
73
58
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Показатели
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
96
46
25
0,58
0,69
0,64
0,62
0,66
0,68
0,64
0,51
г. Архангельск (Архангельская область, 64˚ 32' с.ш.)
0,42
0,43
0,49
27
135
361
589
818
860
857
645
402
165
51
12
61
207
356
494
575
565
385
Продолжение
таблицы
186
71
20
42.4
0,47
109
301
398
515
578
582
431
230
Месяц года
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
0,45
0,57
0,61
0,60
0,67
0,66
0,60
0,46
Верхняя Тойма (Архангельская область, 62˚ 14' с.ш.)
X
0,43
XI
0,39
XII
49
157
395
602
823
865
854
657
423
192
75
20
25
75
260
402
465
544
569
368
176
67
29
8
0,51
0,48
0,66
0,67
0,56
0,63
0,67
0,56
Каргополь (Архангельская область, 61˚ 30' с.ш.)
0,42
0,35
0,39
0,40
57
164
405
607
825
867
855
661
429
201
83
27
25
80
232
364
488
540
540
358
186
77
27
10
0,44
0,49
0,57
0,60
0,59
0,62
0,63
0,54
Коткино (Архангельская область, 67˚ 01' с.ш.)
0,43
0,38
0,33
0,37
I
0,44
6
57
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
38
113
322
575
812
858
875
633
380
136
27
48
216
427
520
550
554
316
150
63
8
Коэфф. облачности ψ
0,43
0,67
0,74
0,64
0,64
0,63
0,50
Елецкий (Республика Коми, 67˚ 03' с.ш.)
0,40
0,46
0,30
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
112
321
380
135
27
575
812
858
876
633
0
59
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
6
54
230
450
567
561
652
356
152
86
17
0,48
0,71
0,78
0,70
0,65
0,75
0,56
Ираель (Республика Коми, 64˚ 26' с.ш.)
0,40
0,64
0,63
28
136
362
590
818
860
857
646
403
166
52
13
67
193
373
494
569
553
352
155
105
25
0,47
0,49
0,53
0,63
0,60
0,66
0,65
0,54
0,38
0,63
0,48
0
4
Продолжение таблицы 2.4
Показатели
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
Сред. знач. коэфф. облач.
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
IX
X
XI
XII
55
162
403
605
825
867
854
660
428
199
81
25
25
73
222
346
508
574
540
377
203
92
25
8
0,45
0,45
0,55
0,57
0,62
0,66
0,63
0,57
Сортавала (Республика Карелия, 61˚ 43' с.ш.)
0,47
0,46
0,31
0,32
54
162
402
605
825
867
854
660
427
199
80
25
25
75
272
385
528
611
595
389
226
75
29
8
0,46
0,46
0,68
0,64
0,64
0,70
0,69
0,59
Умба (Мурманская область, 66˚ 45' с.ш.)
0,53
0,38
0,36
0,32
6
115
326
577
813
858
872
635
383
139
29
6
50
214
390
498
634
598
371
174
69
10
1,00
0,43
0,66
0,68
0,61
0,74
0,68
0,58
Хибины (Мурманская область, 67˚ 38' с.ш.)
0,45
0,50
0,34
58
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
I
Месяц года
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
г. Петрозаводск (Республика Карелия, 61˚ 42' с.ш.)
0
107
312
572
811
858
883
630
375
129
21
4
44
186
364
515
584
561
366
161
59
8
0
0,50
0,41
0,47
0,60
0,62
0,64
0,64
0,68
0,64
0,58
0,65
0,62
0,66
0,66
0,57
Дальневосточный регион
г. Владивосток (Приморский край, 43˚ 12' с.ш.)
0,43
0,44
0,46
0,45
0,38
0,38
0,37
274
376
631
471
312
247
613
735
878
891
882
775
61
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Показатели
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
339
490
519
465
448
452
I
0,96
Месяц года
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
0,90
0,77
0,67
0,59
0,52
0,51
0,58
г. Уссурийск (Приморский край, 43˚ 53' с.ш.)
IX
0,69
X
0,73
XI
0,75
XII
0,85
264
367
607
730
876
889
881
770
622
459
302
238
238
326
465
515
569
590
569
519
448
335
239
197
0,90
0,88
0,76
0,70
0,65
0,66
0,65
0,68
г. Благовещенск (Амурская область, 50˚ 22' с.ш.)
0,72
0,72
0,79
0,83
179
284
544
679
855
877
883
725
543
354
213
152
113
214
398
515
674
708
716
544
373
197
113
80
0,63
0,75
0,73
0,76
0,79
0,81
0,81
0,75
Бомнак (Амурская область, 54˚ 49' с.ш.)
0,68
0,56
0,53
0,53
127
233
494
648
842
875
875
698
495
289
157
99
88
176
352
448
507
569
532
406
289
214
100
63
0,69
0,76
0,71
0,69
0,60
0,65
0,61
0,58
Сковородино (Амурская область, 53˚ 58' с.ш.)
0,58
0,74
0,64
0,64
137
243
504
654
845
876
877
703
504
301
168
109
113
218
412
517
592
630
616
504
362
251
125
84
0,83
0,90
0,82
0,79
0,70
0,72
0,70
0,72
г. Хабаровск (Хабаровский край, 48˚ 33' с.ш.)
0,72
0,83
0,75
0,77
59
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
473
таблицы
2.4
435Продолжение
343
234
209
264
62
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
202
306
563
693
861
879
883
737
564
382
236
175
176
270
440
498
600
643
600
509
400
282
184
141
0,87
0,88
0,78
0,72
0,69
0,73
0,68
0,69
0,71
0,75
0,78
0,81
Продолжение таблицы 2.4
Показатели
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
IX
X
XI
XII
197
301
559
690
859
879
883
734
559
375
231
169
151
234
410
482
519
578
548
461
360
234
159
109
0,77
0,78
0,74
0,70
0,60
0,66
0,62
0,63
г. Охотск (Хабаровский край, 59˚ 22' с.ш.)
0,65
0,63
0,69
0,65
78
186
435
619
830
871
860
672
450
228
106
49
57
145
346
494
570
524
496
421
298
193
78
35
0,73
0,78
0,79
0,80
0,68
0,60
0,58
0,63
0,66
им. Полины Осипенко (Хабаровский край, 52˚ 26' с.ш.)
0,85
0,74
0,71
155
260
522
665
849
876
881
712
521
323
186
127
131
229
440
526
620
641
593
484
337
237
147
103
0,85
0,88
0,84
0,79
0,73
0,73
0,67
0,68
0,65
Екатерино-Никольское (Хабаровский край, 47˚ 44' с.ш.)
0,74
0,79
0,81
212
317
572
699
863
880
883
743
574
395
247
185
195
289
448
505
582
608
580
507
404
297
189
155
0,92
0,91
0,78
0,72
0,68
0,69
0,66
0,68
0,70
г. Южно-Сахалинск (Сахалинская область, 46˚ 58' с.ш.)
0,75
0,76
0,84
222
326
579
705
866
882
882
748
583
407
258
195
180
280
470
500
590
570
530
460
380
290
180
150
60
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
I
Месяц года
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
Советская Гавань (Хабаровская край, 48˚ 58' с.ш.)
24
Коэфф. облачности ψ
1,23
1,16
1,23
1,41
1,47
1,55
1,66
1,63
1,53
1,40
1,43
1,30
Продолжение таблицы 2.4
Показатели
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
Коэфф. облачности ψ
Коэфф. облачности ψ
Сред. знач. коэфф. облач.
X
XI
XII
261
365
603
724
872
889
886
768
619
465
308
234
175
272
383
456
490
458
427
390
346
282
163
140
0,67
0,75
0,64
0,63
0,56
0,52
0,48
0,51
Тымовское (Сахалинская область, 50˚ 50' с.ш.)
0,56
0,61
0,53
0,60
174
279
539
676
854
877
883
722
538
347
207
146
126
209
486
477
544
590
523
440
339
214
126
92
0,72
0,79
0,75
0,83
0,90
0,77
0,70
0,72
0,64
0,66
0,67
0,65
0,59
0,62
0,61
0,64
0,63
0,66
0,62
0,70
0,61
0,68
0,63
0,71
61
СЭ при безоблачном
небе, МДж/м2
СЭ при действ. условиях
облачности, МДж/м2
I
Месяц года
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
г. Южно-Курильск (Сахалинская область, 44˚ 04' с.ш.)
25
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
216
Размер файла
4 694 Кб
Теги
363, щукина, сооружений, энергообеспечение
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа