...сделаем ремонт вместе!..

Энциклопедия сельского хозяина

Солнечный коллектор

Солнечный коллектор. Основным методом преобразования солнечного излучения в тепловую энергию является так называемый «парниковый эффект», создаваемый обыкновенным оконным стеклом, которое пропускает практически всю энергетическую часть солнечного излучения, не пропуская обратно тепловое излучение от нагретых солнцем тепловоспринимающих элементов гелиосистемы. Непосредственное восприятие солнечного излучения осуществляется с помощью солнечного коллектора, который конструируется по принципу «тёплого ящика» (его наиболее простая конструкция показана на рис. 77). Тепловоспринимающим элементом здесь является скрученный в виде плоской спирали чёрный полиэтиленовый или резиновый шланг. Интенсивность облучения коллектора максимальна при перпендикулярном расположении плоскости коллектора к солнечным лучам. Но солнце находится в постоянном движении, а коллектор установлен неподвижно относительно земли. Поэтому обеспечить максимальный тепловой поток на коллектор в течение светового дня невозможно. Из анализа климатических характеристик района можно определить оптимальные углы установки солнечного коллектора относительно горизонта для различных периодов года, которые для условий Беларуси приведены на рис. 77Агд..

Такие коллекторы входят в состав водонагревательных гелиосистем, весьма эффективных в летний период. Гелиоустановки горячего водоснабжения могут быть отдельно стоящими (например, в виде душевых) либо совмещаться с горячим водоснабжением дома. Эффективная и в то же время доступная для самостоятельного изготовления конструкция водяного коллектора приведена на рис. 77А6. Для его изготовления нежелательно применять стальные трубки, так как они подвергаются интенсивной коррозии под действием кислорода воздуха, выделяющегося из холодной воды при её нагревании. Обязательным элементом системы является водяной бак-аккумулятор, из верхней зоны которого отбирается вода потребителем. Именно в верхней зоне собирается наиболее горячая вода, поэтому для получения значительного расслоения температуры воды по высоте бака рекомендуется изготавливать его удлинённым по вертикали с ориентировочным соотношением ширины к высоте 1:2. Рабочий объём бака можно^принимать из расчёта 50—100 л на 1 м поверхности солнечного коллектора. На рис. 77Ав предлагаются две простые и эффективные гелиоустановки с естественной циркуляцией воды между коллектором и баком. Они могут быть использованы для отдельно стоящих душевых или для ванных комнат жилых домов. В последнем случае бак удобнее располагать в объёме чердака. Одна из установок (рис. 77Ав) работает при постоянном уровне воды в баке, который поддерживается от водопровода (5) с помощью поплавкового клапана (6). При отсутствии водопровода можно использовать установку с периодическим наполнением бака, уровень воды в котором уменьшается при водоразборе (рис. 77Авг). В крышке (3) должно предусматриваться отверстие для выхода пара в случае вскипания воды.

Гелиосистемы. Солнечное отопление домов следует рассматривать в основном как дополнительный источник энергии, который частично возмещает общие тепловые потери здания. Гелиосистема работает на полное возмещение теплопо- терь в осенне-весенний период, а в наиболее холодные дни, когда интенсивность солнечной энергии низка, дом отапливается традиционными системами. Годовая экономия тепла может составить до 30—50%. Полная компенсация теплопотребления может быть достигнута при использовании гелиосистем для отопления зданий сезонного назначения (дачи, бытовые помещения тепличных хозяйств и т.п.).

Целесообразно применять воздушные гелиосистемы отопления зданий, тепловая эффективность которых в отопительный период выше водяных, а окупаемость находится в пределах нормируемых сроков. Такие системы можно использовать как для существующей застройки, так и при проектировании солнечных домов. Существует большое количество вариантов гелиосистем воздушного отопления в сочетании с солнечной архитектурой. Поэтому предлагаем только некоторые варианты, разработанные применительно к условиям Беларуси на базе элементов и материалов, традиционно используемых в сельском строительстве.

Аккумулятор теплоты является необходимым элементом для тех систем отопления, в которых выработка теплоты происходит периодически в течение суток, как это имеет место при печном и солнечном отоплении. В качестве теплоаккумулирующего материала применяют камни, крупноразмерный гравий и щебень, кирпич, ёмкости с водой (например, насыпь из полиэтиленовых полых шаров диаметром 100—200 мм, наполненных водой) и др. Засыпка из такого материала в ёмкости, имеющие входной и выходной воздуховоды для горячего и охлаждённого воздуха, представляет собой наиболее простой вариант аккумулятора теплоты.

Для аккумулирования теплоты весьма эффективно можно использовать конструктивные элементы самого здания (стены, перекрытия, перегородки), выполненные из теплоёмкого материала, повышающего тепловую инерцию здания в целом. При этом, чтобы обеспечить высокие теплозащитные свойства наружных стен, теплоизолирующий слой следует располагать со стороны наружного воздуха, а конструктивно-несущий теплоёмкий — у внутренней поверхности стены. Например, стена может быть выполнена в виде кладки из газосиликатных блоков с наружной стороны толщиной 200 или 300 мм и кирпичной кладки в полкирпича толщиной из обыкновенного глиняного кирпича у внутренней поверхности с оштукатуриванием обеих поверхностей при общей толщине стены 360 или 470 мм. Здание из таких стен представляет собой как бы «дом-термос», который в минимальной степени реагирует на колебания температуры наружного воздуха и максимально стабилизирует температуру внутри помещений при нестабильных теплопоступлениях от печного, солнечного и другого отопления.

В качестве примера устройства дополнительной системы солнечного отопления (с аккумулированием теплоты в конструкциях здания) к существующим постройкам предлагается два варианта: для нетеплоёмкого, например, деревянного, дома и для массивного, например, кирпичного, дома с железобетонными перекрытиями (рис. 77Б). В обоих вариантах можно применять светопрозрачное ограждение, состоящее из двух слоёв: наружного — из стекла в стационарных деревянных рамах и внутреннего — из полиэтиленовой плёнки, натянутой по периметру рамы. Такая конструкция является наиболее дешёвой, достаточно теплозащитной от наружного воздуха, создаёт требуемый парниковый эффект и обеспечивает долголетнюю эксплуатацию полиэтиленовой плёнки, защищённой от разрушающих её ультрафиолетовых лучей слоем из стекла. Кроме того, сплошной слой полиэтиленовой плёнки эффективно защищает коллектор от инфильтрации наружного холодного воздуха, тем самым повышая общий тепловой эффект гелиосистемы. Эффективным является вариант совмещения солнечного коллектора с пристроенной к дому теплицей. В этом случае коллектор имеет один слой из полиэтиленовой плёнки, а стеклянное ограждение теплицы несёт в себе функции первого слоя коллектора. В такой теплице тепловой режим лучше, чем в отдельно стоящей, так как она теряет меньше теплоты. Слой плёнки коллектора является также защитным для конструкций здания от повышенной влажности воздуха теплицы. В летний период, когда система естественной вытяжной вентиляции бездействует, коллектор может стать побудителем движения для удаляемого воздуха при оснащении его клапаном (8), который на этот период открывается при закрытом клапане (7). В отопительный период солнечное излучение поступает на поверхность бетонной стены, покрытой слоем ламповой сажи, нагревает её, и теплота частично аккумулируется за счёт нагревания самой стены (рис.). Другая часть теплоты отбирается воздухом, нагреваемым у поверхности (4) стены (3) и вытесняется более холодным воздухом, поступающим из помещений по воздуховодам (5). Нагретый в коллекторе воздух поднимается в отапливаемые помещения через воздуховоды (6). Его расход регулируется вручную или автоматически с помощью клапана (7). В ночное время воздух в коллекторе нагревается за счёт нагретой за день стены (3), обратная сторона которой является также отопительным элементом для помещений цоколя, например, гаража или мастерской.

В летний период и частично в переходный существует вероятность перегрева помещений от гелиосистемы, особенно для варианта, приведённого на рис. 77Ав. В этом случае необходимы тене- образующие устройства, регулирующие поступление теплоты в течение года. Например, посадки лиственных деревьев защищают летом здание от перегрева, а зимой их голые ветви не являются преградой для солнечных лучей, поступающих на поверхность коллектора. Другим вариантом регулирования солнечной радиации могут быть горизонтальные козырьки, устанавливаемые над коллекторами, а также над окнами южной ориентации. Конструктивно козырёк может быть совмещён с карнизом кровли, как это показано на рис. 77Аг. Вынос (А) козырька должен обеспечивать тень летом от высокостоящего солнца и не экранировать окна или коллектор в наиболее холодный период года, а в переходные периоды частичная тень обеспечивает саморегулирование в поступлении солнечной энергии. Для Беларуси величина выноса А может быть определена из выражения: А-Б (2,3— 2,8). Экраном от солнечных лучей для наружной стены служат также стальные листы (3), выполненные, например, из бывшего в употреблении оцинкованного кровельного железа. Эти листы воспринимают солнечную энергию и являются нагревательными элементами для воздуха, циркулирующего в системе. Аккумулируется теплота в дневное время внутренними поверхностями теплоёмких стен, а также бетоном многопустотных железобетонных покрытий (5), по пустотам которых нагретый в коллекторе воздух поступает в отапливаемое помещение. В ночное время циркуляция воздуха прекращается и теплота поступает в помещение от поверхности потолка и стен.

В зимний период некоторые сельские семьи в целях экономии топлива и времени предпочитают эксплуатировать только часть жилых комнат. Предлагаемые гелиосистемы могут работать и в таком режиме путём перекрытия некоторых клапанов (7) в неотапливаемых помещениях. Тогда весь солнечный коллектор работает на отопление только части жилых комнат и экономия топлива может быть весьма существенной.

РИС. 77. Солнце в отоплении дома. А. Солнечные коллекторы: а — общий вид (конструкция) простого водяного пло­ского солнечного коллектора (а1 — вид в разрезе, 1 — шланг полиэтиленовый или резиновый, 2 — стекло, 3 — дере­вянный корпус, 4 — теплоизоляция из пенопласта, соломы и т.п., 5 — холодная вода, 6 — нагретая вода); б — общий вид (конструкция) водяного сопнечного коллектора (б1, 62, 63 — разрезы с различными вариантами тепловоспринима­ющих элементов, 1 — стекло, 2 — медная или латунная трубка диаметром 10—15 мм, 3 — сварка или пайка, 4 — стальной зачернённый лист толщиной 0,7—1 мм, 5 — теплоизоляция, 6 — корпус, 7 — металлические полосы с про­филем для трубки, 8 — холодная вода, 9 — нагретая вода); в — водонагревательные гелиоустановки с естественной циркуляцией воды (в1 — при непрерывной подпитке от водопровода, В2 — при периодическом наполнении установки, 1 — солнечный коллектор, 2 — бак-аккумулятор, 3 — крышка, 4 — теплоизоляция, 5 — водопровод, 6 — поплавковый клапан, 7 — шланг, 8 — отстойник, 9 — кран для спуска воды, 10 — перегородка, 11 — поплавок, 12 — водозаборный наконечник, 13 — отверстие для залива воды, 14 — резиновый шланг (15 отверстий, перегородки); г — зависимость оптимального угла установки (ао) коллектора от времени года; д — ориентировочная зависимость полученной гелиоси­стемой попезной теплоты (q) за сутки и средней полезной мощности (W) от 1 м солнечного коллектора: Wo — при установке коппектора под угпом ао, Wb qe — для вертикального коллектора. Б. Гелиосистема воздушного отопления и вентиляции, пристроенная к существующему неотапливаемому зданию: а — общий вид (а1, а2, аз — вид в разрезе); б — схема работы гелиосистемы (1 — стекло, 2 — полиэтиленовая плёнка, 3 — бетонная стена цокольного этажа, 4 — тепловоспринимающая поверхность, покрытая ламповой сажей, 5 — вытяжной воздуховод, 6 — приточный воздуховод

7 — клапан приточного воздуха, 8 — клапан режима вентиляции, 9 — непрозрачное покрытие, 10 — остекление пар­ника); в — гелиосистема воздушного отопления, пристроенная к существующему массивному зданию (в) — вид юж­ного фасада в разрезе 1 — 1); г — разрез гелиосистемы; д — схема гелиосистемы (1 — стекло, 2 — полиэтиленовая плёнка, 3 — нагревательные элементы из кровельной стали), 4 — кирпичная стена, 5 — каналы многопустотного желе­зобетонного покрытия, 6 — сборный воздушный канал, 7 — вертикальный канал для предотвращения обратной цирку­ляции в ночное время, 8 — приточный канал, 9 — воздушный нижний канал коллектора, 10 — воздушный распреде­лительный канал).

Рис. 77. Солнце в отоплении дома. В. Оптические способности стекла: а — энергетический баланс солнечного осве­щения, поступающего на поверхность стекла в зависимости от угла падения (/?); б — схема системы естественной вен­тиляции, снижающей теплопотери через окна (1 — печь, 2 — воздухонагревательный канал печи, 3 — клапан, 4 — продольная щель в оконной раме шириной 10—15 мм, 5 — остекление); в — план и общий вид здания с атриумным объёмом треугольной формы (1 — солнечный коллектор, 2 — тепловой аккумупятор с теппогенератором, 3 — объём атриума, 4 — остекление атриума, 5 — козырьки солнцезащитные). Г. «Солнечная архитектура»: а — элементы «сол­нечной архитектуры» здания (1 — горизонтальное солнцезащитное устройство, 2 — вертикальное солнцезащитное ус­тройство — колонны, 3 — тепловоспринимающая поверхность массивной стены); б — варианты формирования «сол­нечных домов» с активными гелиосистемами воздушного отопления (1 — солнечный коллектор, совмещённый с несу­щей теплоаккумулирующей стеной, 2 — теплица, 3 — помещение для отдыха)

Узнавай первым!