Солнечные отопительные системы

Тепловой баланс внутри здания описывается уравнением:

m*c*dT/dt = τ_п*α_п*G*A+P_y-(T_r- T_c)/R_T, (6.5)

где Р_у – количество искусственного тепла.

Пассивные солнечные системы

Пассивная отопительная солнечная система состоит из приёмной площадки массой (m) с площадью, обращённой к Солнцу, поверхности А и сопротивлением потерям R_T .

Система должна получить максимальное G*A. Большая часть солнечных лучей попадает на вертикальные стены, а не на крыши зданий. Обращённые к Солнцу поверхности должны быть чёрного цвета с α > 0,8. Здание должно иметь массивные внутренние стены (высокое m), что должно ограничивать изменение комфортной комнатной температуры Т_r.

Рис.6.3. Пассивный солнечный нагреватель: основная система (а) и окно в фонаре (б) для прямого нагрева задней стенки здания. Стрелками указано, где использованы массивные, окрашенные в чёрный цвет поверхности с усиленной теплоизоляцией для поглощения и накопления солнечного тепла. Недостатком простых систем прямого нагрева является то, что в таком доме может быть слишком жарко в течение дня, особенно летом. Это неудобство может быть уменьшено, если делать достаточно большим козырёк крыши. Если строить здания с накопительной стенкой, можно получить большой приход тепла.

Рис.6.4. Принцип действия накопительной стенки зимой.

На рис.6.4. показана стена – бетонная плита толщиной 30 см с внешним стеклянным покрытием и щелями внизу и вверху. Система работает как встроенный воздушный нагреватель с тепловой циркуляцией. Летом такую стену может затенять козырёк крыши, или можно пропускать по дому холодный воздух с теневой стороны.

Активные солнечные системы

В активных солнечных системах используются внешние нагреватели воздуха или воды. Такие системы легче контролировать, чем чисто пассивные, кроме того, их можно устанавливать на существующие здания. Активные солнечные системы, так же как и пассивные, хорошо работают только при минимальных потерях тепла. На практике,״пассивные» дома обогреваются лучше, если есть вентиляторы, т.к. воздух циркулирует между комнатами. Термин «пассивные» используется тогда, когда солнечная энергия аккумулируется непосредственно в комнате. Термин «активные» означает, что тепло накапливается в нагревателях, расположенных вне отапливаемого помещения.

Охлаждение воздуха

Солнечную энергию можно использовать для охлаждения воздуха, например, в абсорбционных холодильниках. В компрессионных холодильниках рабочая жидкость испаряется в процессе теплообмена при повышенном давлении. В абсорбционном холодильнике необходимое повышение давления, обеспечивается разностью давления паров хладагента в генераторе и поглотителе, содержащем пары хладагента над разбавленным раствором.

В абсорбционном холодильнике требуется подвод тепла для повышения температуры в генераторе. Тепло, необходимое для работы абсорбционных холодильников, может быть получено от солнечных нагревательных систем. Однако этот процесс имеет низкую эффективность. В настоящее время это экономически выгодно только в районах, удалённых от стандартных энергосетей.

Опреснение воды

В пустынных районах необходимо снабжение питьевой водой, пресной водой для полива и т.д. Многие пустынные районы имеют подземные запасы солёной воды и обычно, дешевле опреснять воду, чем её привозить. Так как в пустынях облучённость поверхности Земли высокая, можно использовать солнечную энергию для опреснения воды. Самым простым устройством является солнечный дистиллятор – бассейн (рис. 6.5). Он состоит из неглубокого бассейна с чёрными стенками и дном, заполненного водой и накрытого прозрачной паронепроницаемой крышкой. Крышка наклонена по направлению к потоку излучения. Поток солнечной энергии, прошедший через крышку, нагревает воду, часть которой испаряется. Водяной пар поднимается вверх и конденсируется на холодной крышке. Затем капли сконденсированной влаги скатываются в приёмный жёлоб.

где q_ис – теплоперенос при испарении.

Удельный радиационный поток определится:

q_и = 4σ_в [(Т_в + Т_д)/2]³*(Т_в – Т_д), (6.7)

где Т_д – температура крышки.

Конвективный тепловой поток запишем в виде:

q_к = h_к*(Т_в – Т_д), (6.8)

где h_к – коэффициент теплопередачи.

Результирующий тепловой поток на единицу площади:

q_к= 2*ρ*С*(Q/A)*ΔТ (6.9)

Множитель 2 появляется вследствие того, что происходит движение нагретого пара вверх и охлаждённого вниз. Результирующую массу пара на единицу площади в единицу времени представим в виде:

W= m′/A= 2*(Q/A)Δχ = h_к*ρ^-1*c^-1*Δχ, (6.10)

где χ – концентрация пара.

Тепловой поток через единицу площади, возникающий вследствие испарения воды, равен:

q_т = WM, (6.11)

где M – удельная теплота парообразования воды.

Для дистиллятора, показанного на рис. 6.5:

q_т = h_k*М*ρ^-1 c^-1*[χ*(Т_в) –χ(Т_д)]. (6.12)

Для размера х:

h_к = Nuℓ/x (6.13)

ℓ – теплопроводность воздуха (≈ 0,03 Вт/м.к.)

h_к = 0,062 (x/ℓ) Ra ^1/3, (6.14)

где число Рэлея

Ra = g β x³ (Tв – Tg)ℓ^-1 υ^-1 (6.15)

Здесь (ρ, ℓ и т.д.)можно пользоваться данными для сухого воздуха.

Доля тепла, идущего на испарение, быстро возрастает при увеличении температуры воды.

Солнечные пруды

Солнечный пруд представляет собой оригинальный нагреватель, в котором теплозащитной крышкой является вода. Водоём может быть вырыт в земле.

В солнечный пруд заливается несколько слоёв воды различной степени солёности. Наиболее солёный слой толщиной 0,5м располагается на дне. Солнечное излучение поглощается дном водоёма, и придонный слой воды нагревается. Придонный слой не поднимается наверх и конвекция исключается. В солнечных прудах температура придонного слоя достигает 90⁰С. Теплоёмкость и термическое сопротивление большого солнечного пруда достаточно, чтобы сохранить тепло до зимы и использовать его для отопления зданий.

Рис. 6.6. В солнечном пруду конвекция подавлена, и придонные слои сохраняют тепло, полученное от Солнца.