температуры воздуха внутри помещений будут небольщи-ми. Верхний предел массы всех теплоаккумулирующих элементов определяется технико-экономическим расчетом.

Пример 5. Рассчитать требуемый суммарный объем теплоаккумулирующих элементов из бетона [Сб=522 Вт.ч/(м-°С)] н в виде емкостей с водой [Сз=1163 Вт.ч/(М-°С)] при их суммарной теплоемкости, отнесеннной к 1 м солнцеулавливающей остекленной поверхности, равной С=200 Вт.ч/(м*-°С) для дома с площадью остекления южного фасада Лост=40 м". Объем теплоаккумулирующих элементов из бетона равен l6=C>locT/Cg= 200-40/522=15,33 м^, из емкостей с водой 1^в = СЛ„с1/Сз=200-40/1163 = 6,88 м^ Теплоаккумулирующие элементы следует размещать таким образом, чтобы они могли непосредствеино получать солнечное излучение или поглощать излучение, отраженное другими поверхностями интерьера. Наилучшим твердым теплоаккумулнрующим материалом является бетон, затем следуют кирпич, дуб, сосна, гипс (сухая штукатурка). Тепло-аккумулирующие элементы могут служить ограждениями здания,., т. е. его стенами, полом или потолком. При этом наружная поверхность этих элементов должна быть теплоизолирована. Если толщина теплоаккумулирующего элемента равна 50 мм, то требуемая площадь поверхности элемента, отнесенная с 1 м^ светопрозрачного огражденяи (остекления южного фасада), составит для бетона 7 м^, кирпича 8 м^, дуба II м^, сосны 13 м^ и гнпса 21 м^. При толщине бетона 100 мм достаточно 5 м^ а при толщине 200 мм—3 м^ Эти данные относятся к элементам, непосредственно поглощающим солнечное излучение, т. е. они должны быть размещены так, чтобы солнечное излучение попадало на них в течение не менее 4 ч в день. В случае, когда теплоаккумулирующие элементы (потолок, стены) расположены тящ что на них не попадает прямое солнечное излучение, и они нагреваются за счет отраже1шого солнечного излучения и излучения внутренних поверхностей или конвективного теплообмена с воздухом, толщина материала или площадь поверхности теплоаккумулирующего элемента, отнесенная к I м^ площади остекления южного фасада, должна быть приблизительно в 2 раза больше, чем в первом случае.

Третий вариант размещения теплоаккумулирующих элементов соответствует случаю, когда они не являются частями ограждений и строительных конструкций, а установлены внутри помещений, отапливаемых за счет прямого поступления солнечного излучения. Это могут быть емкости с водой или элементы, выполненные из строительных материалов. При этом относительная площадь освещенной солнечным излучением поверхности элемента, приходящаяся на 1 м площади остекления, составляет 2 м^ для элемента из кирпича (толщиной 200 мм) или бетона (тспщиной 150 мм), а емкости с водой должны иметь объем не менее 0,3 на 1 м^ остекления.

Суммарная теплоемкость (Вт.ч/°С) теплоаккумулирующих элементов помещения составляет

^ак — Лдст ^11

где Лост — площадь остекления (солнцеулавливающей прозрачной 140

изоляции), м; Ci — теплоемкость теплоаккумулирующего элемента, отнесенная к 1 м площади остекления, Вт-ч/(м"-°С).

Требуемый объем теплоаккумулирующих элементов VaK=Сан/С, где С — удельная объемная теплоемкость теплоаккумулирующего материала, Вт.ч/(мЗ.С).

Пример 6. Определить требуемый объем теплоаккумулирую-■ щих бетонных элементов для помещения площадью 100 м^ имеющего южные окна суммарной площадью 25 м^, при минимально допустимой удельной теплоемкости 200 Вт-ч/{и-"С).

Общая теплоемкость теплоаккумулирующих элементов Cm— =ЛсотС1 = 25.200=5-103 Вт-чГС.

Требуемый минимальный объем теплоаккумулирующих элементов из бетона К-.к = Сак/Се =5-107522 = 9,0 м^ ) Раепределенпе этого объема теплоаккумулирующего материала может быть выполнено, если на основе плана и разреза помещения по азимуту и углу высоты Солнца определить площади пола и стены, освещаемые Солнцем в течение не м-енее 4 ч в день в зимний период. При- заданной толщине теплоаккумулирующих элементов и выбранном материале можно определить площади поверхностей освещаемых и не освещаемых теплоаккумулирующих элементов.

Пример 7. По данным предыдущего примера выполнить распределение массы теплоаккумулирующих бетонных элементов стен, пола и отдельно стоящих колонн. Принять, что масса распределяется .между указанными элементами в соотношении 3:2:1. Суммарный объем теплоаккумулирующих бетонных элементов составляет 9,6 м, а объем теплоаккумулирующих стен, пола и колонн равен соответст-^ венно 4,8; 3,2 и 1,6 м^

Как правило, в доме с пассивным солнечным отоплением одновременно используется несколько типов систем, например пристроенная к южному фасаду здания гелиотеплица (оранжерея, зимний сад), , южная остекленная теплоаккумулирующая стена и солнцеулавлива-ющие окна южной орнектаиии.

18. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ АКТИВНЫХ СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Общие рекомендации по проектированию гелиосистем.

Солнечные установки отопления и горячего водоснабже-н:.1я зданий входят в состав комбинированных гелиотоп-ливных систем теплоснабл^ения и обеспечивают частичное покры.тие годовой тепловой нагрузки. Как правило, мощность резервного (дополнительного) источника теплоты— котельной — выбирается такой, чтобы могла быть покрыта вся расчетная тепловая нагрузка отопления, так как в зимние месяцы гелиоустановка имеет низкую производительность. Применение гелиоустановок обеспечивает экономию топлива и снижает загрязнение окружающей среды топливосл-гигающими установками. Гелиосистемы теплоснабжения рекомендуется применять в основном в южных районах РСФСР, Украины и "Казах-

стана, в Закавказье, Молдавии и Средней Азии для сезонных потребителей, при высокой стоимости топлива, при среднегодовом количестве поступающей солнечной радиации не менее 1000 кВт-ч/м^, при повышенных требованиях к чистоте окружающей среды, например в курортных зонах.

Гелиотопливная система теплоснабжения включает в себя следующее основное оборудование: коллектор солнечной энергии, аккумулятор теплоты, теплообменники, насосы или вентиляторы, дополнительный (резервный) источник теплоты (топливный или электрический) и устройства для управления работой системы.

Вследствие нестабильности поступления солнечной энергии системы солнечного отопления должны работать с дублером — резервным источником теплоты (котельная, теплосеть и т. п.), обеспечивающим 100 % тепловой нагрузки. В то же время солнечные водонагревательные установки сезонного действия могут быть запроектированы без дублера, если не предъявляются жесткие требования по бесперебойному снабжению горячей водой, например в летних душевых, пансионатах, пионерских лагерях и т. п.

Для систем солнечного отопления приближенный тепловой расчет можно вьшолнять для одного месяца переходного периода, например для апреля в средней полосе или марта в юлсных районах.

При проектировании систем теплоснабжения с использованием солнечной энергии необходимо исходить из того, что экономически целесообразно покрывать за счет солнечной энергии лишь определенную долю /год годовой тепловой нагрузки Q™^ , а остальную ее часть, а именно (1—/год) Qu°^ , должен обеспечивать резервный (дополнительный) источник энергии. Величина /год зависит от характеристик гелиосистемы и климатических данных, а также от стоимости системы и топлива, но обычно она не превышает 0,5, а для сезонных установок может достигать 0,75 н более (за сезон).

Месячная доля солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки теплоснабжения или степень замещения топлива определяется как

где QJJ — месячная величина тепловой нагрузки; И Qj^ — месячные количества теплоты, обеспечиваемые

Г

солнечной установкой и дополнительным источником энергии.

Годовая доля солнечной энергии (степень замещения топлива) в покрытии нагрузки имеет вид

1 I

Экономия топлива (кг) за расчетный период 5 = = С?о/(СтПтг), где Qt — теплота сгорания топлива, МДж/кг; т]тг—КПД теплогенератора, равный 0,45—0,6 для индивидуальных установок и 0,6—0,8 для котлов на твердом, жидком и газообразном топливе.

Исходные данные для расчета гелиосистемы включают характеристики географического положения местности — широту ф, долготу I и высоту Я местности над уровнем моря, климатические данные — среднемесячное дневное количество суммарной Е и рассеяной (диффузной) Ер солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, и температуру наружного воздуха Гв, принимаемые по «Справочнику по климату СССР».

Кроме того, по данным испытаний или по данным завода — изготовителя коллектора солнечной энергии принимаются его характеристики — эффективный оптический КПД 1]о и коэффициент тепловых потерь /(к, а также геометрические размеры одного модуля коллектора, число слоев остекления, вид теплоносителя. Для расчета гелиосистемы также необходимо знать среднемесячные суточные Значения тепловой нагрузки отопления или иметь данные для их расчета, знать температуры холодной Гх.в и горячей Гр.в воды и суточное потребление горячей воды.

При проектировании систем солнечного теплоснабжения расход теплоносителя и объем аккумулятора теплоты выбирают в зависимости от вида теплоносителя в контуре солнечного коллектора (жидкость или воздух) и типа теплового аккумулятора (водяного в жидкостных системах и галечного в воздушных системах).

Так, удельный расход (м^/с) теплоносителя в КСЭ на 1 м2 площади поверхности КСЭ для жидкостных систем равен 0,01—0,02, для воздушных систем 0,005—0,02, а удельный объем {у(^jyfi) аккумулятора теплоты равен соответственно 0,05—0,15 и 0,15—0,35. Удельная площадь поверхности солнечного коллектора в зависимости от на-

значения системы принимается ориентировочно равной: для систем отопления отапливаемого помещения 0,33— 0,5 мУм^; для систем горячего водоснабжения 1 — 2 м2/чел; для подогрева воды для открытого плавательного бассейна 0,5—1 ы^/ш^. Оптимальный угол наклона солнечного коллектора Зопт к горизонту принимается равным: для систем отопления — широте ф+15°; для систем горячего водоснабжения круглогодичного действия— широте ф, сезонного действия — широте ф—15°.

Экономия топлива, которая может быть достигнута в результате эксплуатации солнечной системы теплоснабжения, ориентировочно составляет 0,1—0,2 т условного - топлива на 1 м^ площади поверхности солнечного коллектора.

В галечном аккумуляторе теплоты рекомендуется использовать слой частиц высотой (длиной в направлении движения теплоносителя) 1—3 м, диаметр частиц гальки 20—40 мм, аэродинамическое сопротивление аккумулятора 25—75 Па, а воздуховодов 0,05—1 Па на 1м длины. Коэффициент теплопотерь трубопроводов и воздуховодов не должен превышать 0,5 Вт/(м2-°С), а аккумулятора теплоты 0,25—0,5 Вт/(м2-°С).

Ниже приведены ориентировочные значения отношения площади А поверхности плоского КСЭ к площади Лпол пола отапливаемых помещений здания в зависимо- \] сти от средней температуры наружного воздуха Гв в зимние месяцы (декабрь—январь):

^/-4 пол

М2/М2

-10 -4027

0,5- 0,45— 0,4-0,5 0,32— 0,18— 0,65 0,55■ 0,48 0,35

При применении КСЭ большой площади в летний период возникает значительный избыток неиспользуемой солнечной энергии, а это крайне нежелательно. Поэтому лучше принять площадь КСЭ по нижнему пределу, а затем уточнить ее значение расчетом.

Теплопроизводительность солнечной установки. Выполнение точного теплового расчета солнечной системы теплоснабжения практически представляет большие труд: ности из-за необходимости учета влияния случайных колебаний климатических параметров и сложного характера взаимодействия между элементами системы. Поэтому обычно используются упрощенные методы, которые осно-

ваны на обобщении результатов подробного моделировз ния гелиосистем с применением ЭВМ и дают возможность получить долгосрочные характеристики проектируемой системы..

Упрощенный метод теплового расчета солнечной установки отопления и горячего водоснабжения здания позволяет определить ее основные параметры — площадь поверхности коллектора солнечной энергии А и объем аккумулятора теплоты V, а также найти характеристики энергетической эффективности-годовую долю солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки теплоснабжения и расчетную годовую экономию топлива.

Тепловая мощность (Вт) плоского коллектора солнечной энергии (КСЭ)

где А — площадь поверхности КСЭ, м^; /к — плотность потока солнечной радиации, поступающей на поверхность коллектора, Вт/м^; г\д —эффективный оптический КПД коллектора; Як — общий козффициент теплопотерь кол- . лектора, Вт/(м2.К); Гп и Гт2 — температура теплоносителя на входе в КСЭ и на выходе из него, °С; Гв — температура наружного воздуха, °С; G — массовый расход теплоносителя в КСЭ, кг/с; Ср — удельная изобарная теплоемкость теплоносителя, Дж/ (кг.°С). , Удельная среднемесячная дневная теплопронзводи-*гельность коллектора солнечной энергии, МДж/м^ в день:

где Ек — среднемесячное дневное количество солнечной энергии, поступающей на 1 площади поверхности КСЭ, МДж/м2 в день.

Метод расчета величины Е^ описан в § 16. Коэффициенты а н b приведены в табл. 8 для основных типов КСЭ, используемых в солнечных установках теплоснабжения. Параметр Р= {Т^—Т^)/Кя, те Кя=Е/Ео — среднемесячный коэффициент ясности атмосферы, равный отношению среднемесячных количеств солнечной радиации, поступающих за день на горизонтальную поверхность на земле к за пределами земной атмосферы.

На теплопроизводительность коллектора солнечной энергии (КСЭ) в данных климатических условиях сильно влияет температура теплоносителя Гт1 на входе