Аккумулирование тепла в системах солнечного отопления

Важнейшим фактором повышения эффективности и надежности ССО является применение аккумулятора тепла (АТ). Необходимость аккумулирования тепла в гелиосистемах обусловлена несоответствием во времени и по количественным показателям поступления солнечной радиации и теплопотребления.

Аккумуляторы тепла можно классифицировать по характеру процессов, протекающих в теплоаккумулирующем материале: аккумуляторы ёмкостного типа, в которых используется теплоемкость нагреваемого (охлаждаемого) аккумулирующего материала без изменения его агрегатного состояния; аккумуляторы фазового перехода вещества, в которых используется теплота плавления (затвердевания) вещества (эвтетические соли).

Наибольшее применение получили АТ ёмкостного типа. В качестве теплоаккумулирующего материала в пассивных ССО используются бетон, камень, кирпич, вода; в активных ССО — галька, вода.

В пассивных ССО солнечная радиация поглощается элементами здания и сохраняется в виде тепловой массы [1]. Затем это тепло излучается внутрь здания. Тепловая масса интегрируется в пассивную ССО различными способами: стены, пол, перегородки, емкости с водой и др. Если большая часть окон обращена на юг, но при этом нет запаса тепловой массы, то такой дом не будет энергоэффективным.

Обеспечение тепловой массы — обычно самая трудная задача для проектирования пассивных ССО. Удельная масса и объём теплоаккумулирующих элементов, отнесенных на 1 м² площади остекленных поверхностей, ориентированных на юг, определяется в зависимости от доли f (%) солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки на отопление [2]:

т_ак = С_m f; V_ак = С_V f;

где т_ак и V_ак — масса и объём теплоаккумулирующего материала;

С_m и С_V — коэффициент удельной массы и объёма теплоаккумулирующего материала; f — коэффициент замещения.

Коэффициенты С_m и С_V определяются видом теплоаккумулирующего материала. Например, для ёмкости с водой С_m=3 кг/(% м²) и С_V=0,003 м³/(% м²); для бетона или каменной стены (пола) С_m=15 кг/(% м²) и С_V=0,0075 м³/(% м²).

Значение f практически соответствует процентному снижению расхода

теплоты от обычного топливного источника. Если требуется снизить теплопотребление здания на 40 % (f=40 %), необходимая масса и объём водяного АТ составляет т_ак=120 кг/м² и V_ак=0,12 м³/м²; бетонной стены (пола) соответственно — 600 кг/м² и 0,3 м³/м². При f=10…80 % удельный объем V_ак, отнесенный к 1 м² солнцеулавливающих поверхностей южного фасада, равен для емкостей с водой 0,03…0,24 м³/м²; для бетона стены (пола) 0,08…0,6 м³/м². При одинаковой энергоёмкости бетонной АТ требует в 3 раза больше объёма, чем объём водяного бака.

В качестве теплоаккумулирующего материала наибольшее применение получили галечные насадки и водяные ёмкости. Галечные АТ применяются в основном в воздушных ССО. Гравийные насадки конструктивно можно компоновать в объёмах различной формы, в вертикальных и горизонтальных массивах, дают большие поверхности теплообмена. Основным недостатком гравийных насадок является низкая теплоёмкость, что требует использование больших объёмов АТ для обеспечения необходимой энергоемкости.

Из всех применяемых теплоаккумулирующих материалов вода обладает наибольшей теплоёмкостью. В водяных аккумуляторах традиционно используются емкости в несколько кубических дециметров, которые размещаются на стеллажах, обеспечивающих свободное их обтекание воздухом. Основное преимущество применения контейнеров с водой возможность их размещения в виде массивов как в случае с гравийными насадками. Другое преимущество в том, что требуется меньший объём пространства для воды, чтобы аккумулировать то же количество тепла, что и камни. При порозности 50 % между контейнерами, вода удерживает 2150 кДж/(м³ град). Камни при 30 % порозности удерживает 1675 кДж/(м³ град). Если контейнеры с водой разместить с 30 % порозностью, то при тех же условиях будет удерживаться 2880 кДж/(м³ град).

Применение пластиковых бутылок, емкостью 0,5…2 л заполненных водой, в качестве теплоаккумулирующих элементов позволяет совместить высокую теплоёмкость воды, большие поверхности теплообмена и разнообразие компоновки гравийных насадок.

Использованные пластиковые бутылки являются дешевым материалом. Помимо их промышленной утилизации, они широко используются как качестве элементов АТ [3].

ПБ изготавливаются из полиэтилентерефталата, обладают высокой прочностью, химической стойкостью, герметичны, долговечны, температура длительной эксплуатации +70 ^оС, не разрушаются при температуре -60 ^оС [4].

Применение использованных пластиковых бутылок, как емкостей с водой в качестве теплоаккумулирующих элементов позволяет совместить высокую теплоёмкость воды, большие поверхности теплообмена и разнообразие компоновки гравийных насадок. Применение пластиковых бутылок расширяет возможности создания водяных АТ любой ёмкости и конфигурации.

Литература:

1.         Николаев К. Солнечные системы с аккумулированием тепла //Энергосбережения, -М.: 2007, № 4, С. 14–15.

2.         Солнечный дом. http://www.nashekodom.ru/proect/proekt10.htm/

3.         Дусяров А. С., Авезов Р. Р. Температурный режим помещения с рефлекторной пассивной системой солнечного отопления и аккумулятором тепла // Гелиотехника, 2000. -№ 4. -С.50–54.

4.         Гальченко А. Ударопрочный антивандальный листовой материал полиэтилентерефталат. Гельветика –Т. webmaster@helvetica — t/ru, 2008. -4 с.