Системами солнечного отопления называются системы, использующие в качестве теплоисточника энергию солнеч­ной радиации. Их характерным отличием от других систем низкотемпературного отопления является применение спе­циального элемента — гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию.

По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные.

Пассивными называются системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнеч­ную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (здание — коллек­тор, стена — коллектор — рис. 20.5, кровля — коллек­тор и т. п.).

В пассивной системе солнечного низкотемпературного отопления «Здание — коллектор» солнечная радиация, про­никая через световые проемы в помещение, попадает как бы в тепловую ловушку. Коротковолновое солнечное излуче­ние свободно проходит через оконное стекло (коэффициент пропускания 0,85—1,0) и, попадая на внутренние ограж­дения помещения и мебель, преобразуется в теплоту. Тем­пература поверхностей повышается, и теплота отдается воздуху и необлученным поверхностям помещения конвек­цией и излучением. Собственное излучение поверхностей при этом происходит в длинноволновом диапазоне и плохо пропускается оконным стеклом (коэффициент пропуска­ния 0,1—0,15), которое отражает его внутрь помещения. Таким образом, почти вся солнечная радиация, попавшая в помещение, преобразуется в нем в теплоту и способна час­тично или полностью (в зависимости от географических и климатических условий, архитектурно-планировочных ре­шений) компенсировать его тепловые потери. Массивные внутренние ограждения способны аккумулировать часть теплоты, образовавшейся на их поверхности, и отдавать ее

Рис. 20.5. Пассивная низко­температурная система сол­нечного отопления «стена— коллектор'

1 — солнечные лучи; 2 — Луч'епрозрачный экран; 3— воздушная заслонка; 4 — Нагретый воздух, подаваемый в помещение; 5 — охлажден­ный воздух из помещения; б — собственное длинновол­новое тепловое излучение массива стены; 7 — черная дучевосприиимающая поверх­ность стены; 8 — жалюзи

Помещению постепенно, даже спустя 6—8 ч после прекра­щения воздействия на них солнечной радиации.

Для повышения эффективности работы системы «зда­ние — коллектор» световые проемы большой площади по­мещают на южном фасаде, снабжая их жалюзи, которые при закрытии должны препятствовать в темное время суток по­терям с противоизлучением, а в жарский период в сочета­нии с другими солнцезащитными устройствами — перегре­ву помещения. Внутренние поверхности окрашивают в тем­ные тона.

Задачей расчета при данном способе обогрева является определение минимально необходимой площади световых проемов для пропускания в помещение потока солнечной радиации, необходимого с учетом аккумулирования для компенсации тепловых потерь. Как правило, мощности пассивной системы «здание — коллектор» (особенно в хо­лодный период) оказывается недостаточно, и в здании уста­навливают дополнительный традиционный или нетради­ционный теплоисточник, превращая систему в комбиниро­ванную (см. §20.1). Расчетом при этом определяют эконо­мически целесообразные площади световых проемов и мощ­ность дополнительного теплоисточника.

Пассивная солнечная система воздушного низкотемпера­турного отопления «Стена — коллектор» включает мас­сивную наружную стену, перед которой на небольшом рас­стоянии устанавливают лучепрозрачный экран с жалюзи. У пола и под потолком в стене устраивают щелевидные от­верстия с клапанами. Солнечные лучи, пройдя через луче­прозрачный экран, поглощаются поверхностью массивной стены и преобразуются в теплоту, которая конвекцией пере­дается воздуху, находящемуся в пространстве между экра­ном и стеной. Воздух нагревается и поднимается вверх, попадая через щелевое отверстие под потолком в обслужи­ваемое помещение, а его место занимает остывший воздух из помещения, проникающий в пространство между стеной и экраном через щелевое отверстие у пола помещения. По­дачу нагретого воздуха в помещение регулируют открытием клапана. Если клапан закрыт, происходит аккумуляция теплоты массивом стены. Эту теплоту можно отобрать кон­вективным потоком воздуха, открывая клапан в ночное время или в пасмурную погоду.

При расчете системы пассивного низкотемпературного солнечного воздушного отопления со стеной — коллекто­ром определяют необходимую площадь поверхности стены. Саму стену — коллектор рассчитывают обычно как венти­лируемую воздушную прослойку с лучепрозрачным экра­ном. Данную систему, как правило, дублируют дополни­тельным источником теплоты.

Активными называются системы солнечного низкотем­пературного отопления, в которых гелиоприемник (в отли­чие от пассивных систем) является самостоятельным от­дельным устройством, не относящимся к зданию. В на­стоящее время для активных систем солнечного отопления применяют гелиоприемиики двух типов: концентрирующие и плоские.

Концентрирующие гелиоприемиики представляют собой сферические или параболические зеркала, параболоцилйнд - ры (рис. 20.6), выполненные из полированного металла, в фокус которых помещают тепловоспринимающий элемент (солнечный котел), заполненный теплоносителем. В качест­ве теплоносителя используют воду или незамерзающие жидкости. При использовании в качестве теплоносителя воды в ночные часы и в холодный период систему обяза­тельно опорожняют для предотвращения ее замерзания.

Для обеспечения высокой эффективности процесса улав­ливания и преобразования солнечной радиации концентри­рующий гелиоприемник должен быть постоянно направлен строго на Солнце. С этой целью гелиоприемник снабжают системой слежения, включающей датчик направления на Солнце, электронный блок преобразования сигналов, элект­родвигатель с редуктором для поворота конструкции гелио - приемника в двух плоскостях.

На рис. 20.7 представлена принципиальная схема жид­костной комбинированной двухконтурной низкотемператур­ной системы солнечного отопления с параболоцилиндриче - ским концентратором и жидкостным теплоаккумулятором. В контуре гелиоприемника в качестве теплоносителя при­менен антифриз, а в контуре системы отопления — вода.

Преимуществом систем с концентрирующими гелио - приемниками является способность выработки теплоты с от­носительно высокой температурой (40—80 °С) и даже пара. К недостаткам следует отнести высокую стоимость конст­рукции, работу только в светлое время суток, а следова­тельно, потребность в аккумуляторах большого объема, большие энергозатраты на привод системы слежения за хо­дом Солнца, соизмеримые с вырабатываемой энергией. Эти недостатки сдерживают широкое применение активных низкотемпературных систем солнечного отопления с кон­центрирующими гелиоприемниками. В последнее время наиболее часто для солнечных низкотемпературных систем отопления применяют плоские гелиоприемиики.

Плоские гелиоприемиики бывают двух видов: плоские коллекторы и плоские абсорберы.

Плоские коллекторы (рис. 20.8) изготовляют в виде плас-

1 — параболоцилиндрический концентратор; 2 — жидкостный теплоаккумуля - тор; 3 — дополнительный теплоисточник; 4 — термометр; 5 — контур системы отопления; 6 — регулирующий вентиль; 7 —> циркуляционный насос

Тины с каналами для транспорта теплоносителя, помещае­мой в металлический или пластмассовый корпус, которую для предотвращения собственного длинноволнового излу­чения в окружающее пространство, а также для снижения конвективных теплопотерь покрывают с наружной сто­роны одним или несколькими слоями остекления на рас­стоянии 30—50 мм от пластины и между слоями, а с обрат­ной стороны теплоизолируют. В качестве теплоносителя используют воду, антифризы (§20.1), воздух. Выпускае­мые в нашей стране коллекторы размером 1450 X 700 мм обладают достаточно высокой мгновенной эффективностью (т1мги=0,9), т. е. отношением падающей на поверхность гелиоприемника солнечной радиации к полезно усвоенной теплоте, но относительно низкой суточной (г]сут=0,5) и годовой (г>ГОд=0,25) эффективностью.

Для лучшего поглощения солнечной радиации коллек­торы устанавливают зимой под углом 80—90° к горизонту, летом — 20—30°, а при круглогодичной эксплуатации под углом, равным широте местности, на кровле здания или рядом с ним. Коллекторы позволяют нагревать теплоноси­тель максимально до 90 °С.

Для повышения эффективности коллекторов поверх­ность теплопоглощающей пластины покрывают спектраль­но-селективными слоями, хорошо пропускающими корот­коволновое излучение и препятствующими собственному длинноволновому излучению, а также вакуумируют меж­стекольное пространство.

На рис. 20.9 представлена принципиальная схема водя­ной низкотемпературной системы солнечного отопления с солнечными коллекторами, в которой предусмотрен автома­тический дренаж коллекторов при прекращении воздей­ствия солнечной радиации.

В условиях СССР применение системы отопления с сол­нечными коллекторами, рассчитанной на покрытие тепло - потребления в течение всего отопительного сезона на основе существующих схем, экономически невыгодно. Поэтому такие системы дублируют традиционными теплоисточни­ками, а также включают в схему системы тепловой насос (рис. 20.10). На долю гелиоконтура оставляют примерно 30—50% теплопотребностей обслуживаемого объекта.

Плоские абсорберы (в отличие от плоских коллекторов) не имеют остекления, а часто и теплоизоляции с обратной

1 — солнечные плоские коллекторы; 2 — расширительный бак; 3 — дополни­тельный теплоисточник; 4 — теплообменник; 5 — отопительные приборы; 6, 8 — циркуляционные насосы; 7 — бак-теплоаккумулятор

Система солнечного отопления с плоскими коллекторами, тепловым насосом и дву­мя жидкостными теплоаккумуляторами 1 — солнечные коллекторы; 2 — воздухосборник; 3 — низкотемпературный жидкостный теплоаккумулятор; 4 •— испаритель теплового насоса; 5 — компрес­сор; 6 — дроссельный вентиль; 7 — высокотемпературный жидкостной тепло» аккумулятор; 8 — конденсатор теплового насоса. 9 — дополнительный тепло­источник; 10 — магнитный вентиль; 11 — датчик температуры; 12 — отопитель­ные приборы; 13 — циркуляционный насос стороны. В них подают теплоноситель с температурой на 3—5° ниже темрературы окружающего воздуха. За счет этого не только сводятся к минимуму бесполезные потери теплоты в окружающую среду, но и дополнительно усваи­вается теплота атмосферного воздуха, осадков, а также фа­зовых превращений при конденсации и инееобразовании на поверхности абсорбера. Это дополнительное количество теп­лоты, например для условий Москвы, примерно равно коли­честву теплоты, получаемому от солнечной радиации.

В качестве абсорберов используют различные конструк­ции типа лист-труба, штампованные алюминиевые или стальные радиаторы (например, типа РСВ). Теплоносителем для них служит глизантин (см. §20.1). Плоские абсорберы в 5 раз легче и в 8 раз дешевле коллекторов. Они обладают более высокой суточной (ticyT==0,7) и годовой (т]ГОд=0,85) эффективностью, не требуют очистки от пыли.

В зарубежной практике абсорберы широко используют в качестве элементов наружных ограждений — покрытия кровли, облицовки фасадов, балконных ограждений, эле­ментов ограды. Абсорберы устанавливают под углом, близ­ким к 90°, к горизонту, так как максимум теплопотреблення приходится на зимние месяцы. Вертикальное положение способствует также удалению конденсата, инея и снега с их поверхности.

Единственным недостатком абсорберов является низкий уровень температуры нагреваемого теплоносителя, что тре­бует при их применении обязательного включения в схему системы отопления теплового насоса (рис. 20.11).

Регулирование тепловой мощности систем солнечного низкотемпературного отопления с плоскими абсорберами и тепловым насосом осуществляют отключением части абсор­беров или части цилиндров компрессора, дросселированием потока хладагента (при применении регулируемого дрос­сельного вентиля), сбросом избыточной теплоты в тепло­аккумуляторы.