Наиболее важной причиной необходимости аккумулирования тепла в солнечной энергетической установке является непосто­янство сияния солнца и постоянная потребность в энергии Кро­ме того, при наличии солнца, как правило, поступает больше энергии, чем требуется, и поэтому, накопив энергию, ее можно использовать в дальнейшем, когда солнца нет

При проектировании аккумулятора солнечного тепла необ­ходимо соизмерять стоимость с рабочими характеристиками Некоторыми решающими факторами стоимости являются вы­бор теплоаккумулирующей среды для теплового аккумулятора, которой могут служить, например камни, вода или эвтектиче­ские соли, необходимое количество этой теплоаккумулирующей рабочей среды, измеряемое по весу или по объему, размещение теплового аккумулятора либо в отапливаемом помещении, либо вне его, тип и размеры контейнера для аккумулирующей среды, теплообменники, если необходимо, для передачи или отбора теп­ла от рабочего тела и механическое устройство для перемеще­ния теплоаккумулирующей среды через аккумулятор или теп лообменники

Кроме этих факторов рабочие характеристики также зависят 01 средней рабочей температуры, падения давления теплоноси­теля, движущегося через теплоаккумулирующую среду, и от по - іерь тепла контейнером в окружающую среду

Есть три основных вида теплоаккумулирующей среды кам­ни, вода и эвтектические соли (с фазовым превращением)

Способность разных материалов накапливать тепло зависит от их удельной теплоемкости Как указывалось в предыдущей части, удельная теплоемкость материала выражается количест­вом тепла (Дж), необходимого для повышения температуры 1 кг материала на 1° Энергию, часто называемую физической теплотой, можно получить обратно по мере снижения темпера туры вещества Это основной принцип действия большинства солнечных тепловых аккумуляторов В табл 15 приводятся теплоаккумулирующие способности нескольких распространен­ных материалов

Выбор теплоаккумулирующей среды и солнечного коллекто­ра должен "проводиться одновременно. Почти без исключения все системы жидкостного типа, будь то открытые (например, си­стема Томасона) или закрытые типа «труба в листе», требуют жидкой теплоаккумулирующей среды. В большинстве систем воздушного типа теплоаккумулирующая среда состоит из не­больших элементов - наиболее распространенными являются камни, небольшие (несколько кубических дециметров) сосуды с водой или эвтектические соли в контейнерах, которые дают возможность воздуху проходить вокруг и между ними, переда­вая им тепло. Альтернативными вариантами являются также системы, которые конструктивно сочетают в себе солнечный коллектор и аккумулятор тепла (см. часть III).

Аккумулятор для жидких систем. Существенным преимуще­ством жидкостных систем, содержащих бак-аккумулятор с во­дой, является их совместимость с солнечным охлаждением. Воду можно использовать практически для всех типов солнечного ох­лаждения, в том числе для ночного радиационного охлажде­ния, внепикового охлаждения при помощи небольших компрес­соров и циклов Ренкина и абсорбционного охлаждения. Наиболь­шим преимуществом воды в качестве теплоаккумулирующей среды является ее сравнительно низкая стоимость, за исключе­нием тех районов мира, где воды мало. Однако с водой связаны некоторые трудности, решение которых может вызвать значи­тельные затраты.

В последние годы удерживание больших объемов воды (от 100 до 350 м3 на 1 м3 коллектора) до некоторой степени стало проще благодаря появлению надежных гидроизоляционных ма­териалов и больших пластиковых листов. Раньше единственным сосудом был бак из оцинкованной стали, который в конечном счете протекал. Замена крупных баков, которые обычно разме­щаются в подвалах или под землей, является трудным и дорого­стоящим делом. Внедрение стеклофутеровкп и баков из стекло­волокна устранило проблемы коррозии, по увеличило первона-

чальные расходы Применение баков из литого бетона до недав­него времени сдерживалось трудностью и стоимостью обеспече­ния их долговременной герметичности; бетон водопроницаем и подвержен растрескиванию. Однако большие пластиковые ли­сты или мешки могут заменить собой бетон; пластиковые сосу­ды могут поддерживаться легкими деревянными или металличе­скими каркасами.

На рис. 5.83 показаны два способа хранения воды: первый - это наполненный водой бетонный (или шлакоблочный) контей­нер; второй - это система д-ра Гарри Томасона, т. е. бак с во­дой, окруженный камнями. В первом способе теплая вода из бака циркулирует в здание либо непосредственно через радиа­торы или теплоизлучающие панели, либо косвенно через змееви­ковые теплообменники, которые нагревают обтекающий их воз­дух, охлажденный їв помещении. Этот последний способ приме­нили в доме IV при Массачусетском технологическом институте в 1959 г. На рис. 5.84 показано поперечное сечение дома в шт. Вермонт на Среднем Западе, который был спроектирован Сью Бэртон Теннер. Система солнечного теплоснабжения, раз­работанная фирмой «Тотал энвайронментал экшн.», имеет в своем составе коллектор с открытым стоком воды. Теплообмен­ник отбирает тепло от аккумулятора и передает его в дом через большие стеновые и потолочные радиационные панели, позво­ляя использовать воду сравнительно низкой температуры. Вто­рой теплообменник подогревает воду для хозяйственных нужд, поступающую в обычный водонагреватель. Аккумулятор второго типа, изображенный на рис. 5.78, передает тепло медленно, но постоянно от бака с водой к камням. Охлажденный в доме воз­дух медленно циркулирует в больших объемах между нагретыми камнями и возвращается обратно в дом. В обоих случаях самая холодная вода на дне бака поступает в коллектор для подогре­ва, а затем возвращается в верхнюю часть бака. Эта нагретая в коллекторе вода используется для отопления дома.

Распределение температуры внутри водяного бака показано на рис. 5 85 Клоузом . В баке высотой 1 м в начале дня от­мечается температура менее 20° С в 150 мм от дна п почти 35° С в 125 мм от верха. К концу дня эта разница становится несколь­ко меньше и составляет около 8°.

Большие размеры и высокая стоимость теплообменников мо­гут вызвать серьезные возражения против использования водя­ных баков-аккумуляторов. 25-50 т камней в системе Томасона, хотя и будучи дополнительным аккумулятором тепла, являются в некотором смысле чересчур внушительным теплообменником. У типичных металлических теплообменников, погруженных в воду, общая площадь поверхности теплообмена может состав­лять чуть ли не одну треть от площади солнечного коллектора.

Теплообменники необходимы, когда воду в баке невозможно использовать непосредственно для других целей, кроме аккуму-

Рис. 5 84. Коллекто­ры с наружным сто­ком воды и бак-ак­кумулятор в доме, шт. Вермонт (проект архит. Сью Бэртон Теннер с рекоменда­циями фирмы «Тотал энвайронментал экшн»)

1 - коллекторы: 2 - теп­лообменники для радиа­ционного отопления го­рячей водой; 3 - акку­мулятор

лядии тепла. Например, при использовании в коллекторе раст­вора антифриза в "воде он должен проходить через теплообмен­ник во избежание смешивания его с водой в баке. Кроме того, при расчете теплоснабжения здания инженеры по отоплению обычно требуют, чтобы вода из бака не использовалась в отопи­тельной системе. Это особенно показательно для случая, когда вода из бака циркулирует через коллектор.

Ограничение выбора местоположения для больших сосудов с водой может оказаться выгодным для проектировщиков зда-
ний, которые не хотят ломать голову над тем, где установить крупный предмет. Однако для проектировщика, который хочет сделать теплоаккумулятор неотъемлемой частью всего проекта, размещение тяжелого и громоздкого бака может оказаться трудной задачей. Естественно, самосливные системы жидкост­ного типа требуют, чтобы аккумулятор находился ниже дна кол­лектора; термосифонные системы требуют, чтобы он находился выше верхней части коллектора. Если аккумуляционная система связана с другим оборудованием, например с отопителем, насо­сами, теплообменником и бытовыми водонагревателями, то мо­жет потребоваться ее близкое размещение к ним.

Аккумулятор для воздушных систем. Из нескольких тепло­аккумулирующих сред для систем воздушного типа, пожалуй, наиболее известными и употрсбимыми являются камни. Хотя применение этого материала кажется сравнительно дешевым и легким решением, однако такой выбор не всегда правилен. Наи­более существенным преимуществом камней является их низкая стоимость, если действительно камней много. Например, на большей части территории Новой Англии единственным видом камней является гравий диаметром 25-40 мм. В зависимости от конструкции и размеров отсека для камней могут потребовать­ся камни диаметром до 100 мм. На 1 м2 коллектора требуется от 35 до 180 кг камней из-за их малой теплоемкости. Огромное количество камней усложняет проблему их транспортировки и перегрузки, а также требует отсека, достаточного по размеру,

чтобы вместить их При 30% пустот объем камней, необходимый для аккумулирования того же количества тепла, что и бак с во­дой, должен быть в два с половиной раза больше

Большая периметральная площадь этих отсеков-аккумуля­торов влечет за собой более высокие строительные расходы и большие потери тепла Потенциальная возможность более зна­чительных потерь тепла из больших отсеков с камнями по срав­нению с меньшими по размеру водяными баками, тем не менее, компенсируется сравнительно медленным естественным движе­нием тепла через камни в отличие от постоянного движения воды внутри большого сосуда при изменении температуры (на­пример, из-за потери тепла)

Одним из серьезных ограничении в отношении камней яв­ляется недостаточность их универсальности как рабочих тел для других целей помимо аккумулирования тепла, они, например, не могут служить теплоносителем для подогрева воды, охлаж­дения и даже отопления жилого помещения Один из немногих и наиболее распространенных способов приготовления горячей воды в этом случае заключается в установке небольшого (от 100 до 400 дм3) неизолированного водяного бака между камнями. Теплообмен протекает медленно, но продолжается круглые сутки

Методы солнечного охлаждения применимы тогда, когда кам­ни удерживают прохладу для дальнейшего использования Эту прохладу можно получить путем циркуляции холодного ночного воздуха, воздуха, охлажденного ночной радиацией, или воздуха охлажденного внепиковыми холодильными компрессорами Коллекторы воздушного типа, обеспечивающие температуры до­статочно высокие для циклов охлаждения от 80 до 150° С, на­вряд ли будут разрабатываться Оборудование по кондициони­рованию воздуха, которое совместимо скорее с горячим возду­хом, чем с горячей жидкостью в качестве источника тепла, в настоящее время не выпускается

Воздушные системы ограничивают способ передачи тепла окружающему пространству Почти без исключения отопитель ные системы должны иметь принудительную циркуляцию теп­лого воздуха в отличие от теплоаккумуляторов типа водяного бака, где может применяться принудительная циркуляция теп­лой воды или теплого воздуха Однако, как рассматривалось в части III, воздух может циркулировать через камни естествен­ным путем, не нуждаясь в вентиляторах

На рис 5 86 показан сводчатый дом, спроектированный фир­мой «Тотал энвайронментал экшн», в котором отсек с камнями расположен в пределах помещения Передача тепла из отсека в помещение происходит медленно путем естественной конвек­ции из комнаты в нижнюю часть отсека и оттуда через верх, а при необходимости, при помощи небольших вспомогательных вентиляторов (купообразная конструкция была выбрана заказ-

чиком, а отдельно стоящий коллектор указывает иа ограничения использования здания для жилых целей).

Местоположение теплового аккумулятора с камнями может явиться серьезным ограничением их использования. Если акку­мулятор размещается в подвале здания, то расходы на сооруже­ние отсека необязательно должны быть включены в общую стоимость системы солнечного теплоснабжения. Однако если под аккумулятор отводится подвал, предназначенный для других целей, или жилое помещение, то стоимость сооружения такого отсека добавляется к стоимости системы. На рис. 5.87 показано использование контейнера-аккумулятора с засыпкой из камней как части архитектурного элемента здания. В доме Джорджа Лёфа в Денвере этот способ применен довольно удачно. Однако из-за большого веса контейнеров или отсеков для камней под ними должны предусматриваться прочные фундаменты.

На рис. 5.88 представлен разрез дома в Бостоне по проекту фирмы «Тотал энвайронментал экшн», выполненному на средст­ва фирмы «АИА Рисерч корпорейшн» Американского института архитекторов . Площадка для дома представляет собой крутой северный склон холма с высокими зданиями к югу. Кол­лектор устанавливается как можно выше, чтобы не попасть в тень от соседних зданий. Вследствие своих больших размеров и массы теплоаккумулирующий отсек с камнями находится на нижнем этаже здания.

В проекте предусматривается довольно простой способ пе­редачи тепла к отсеку и от него. На рис. 5.89, где показана схема солнечной системы, теплый воздух из коллектора поступает в верхнюю часть отсека. Он затягивается внутрь, выходит снизу и поступает обратно в коллектор. Для обогрева дома прохладный воздух поступает в нижнюю часть отсека и нагревается по мере подъема между камнями. Самые теплые камни наверху нагре­вают воздух до наибольшей степени. На рисунке также показа­ны цикл отопления на жидком топливе, в котором комнатный воздух обходит отсек с камнями. Обычно аккумуляторный отсек не должен нагреваться отопителем, за исключением случаев, когда он располагается внутри жилого помещения.

Одна из важных причин того, что теплый воздух подается из коллектора в верхнюю часть отсека, заключается в стремлении обеспечить температурную стратификацию. Это дает возмож­ность нагревать комнатный воздух до наивысшей возможной температуры при помощи самых теплых камней, находящихся в верхней части отсека. Если теплый воздух будет поступать через низ отсека, даже без перемещения внутри него, то тепло из ниж­ней части распределится равномерно по всему отсеку, что вызо­вет в нем общее понижение температуры. Подача комнатного воздуха в то же место, что и теплого воздуха из коллектора, будет способствовать этому выравниванию тепла по отсеку, а не нагреву воздуха в целях отопления здания.

Рис. 5 89 Схема системы солнечного теплоснабжения для дома в Бостоне }