Энергоактивные здания - Аккумулирование солнечной энергии для систем отопления в горных районах тропиков

1. Аккумулирование солнечной энергии для систем отопления в горных районах тропиков *

В. Б. Козлов
Во многих африканских странах, несмотря на жаркий климат, ночью в горных районах наблюдаются значительные понижения температуры. Характерным примером является Гвинейская Республика, которая расположена в жаркой тропической зоне экваториальной Африки в диапазоне 8—12° с.ш. Тем не менее, в горном районе массива Фута-Джаллон, занимающем около 20% территории страны, ночная температура воздуха зимой падает до 3—5° С. Для примера в табл. 6.1 приведены значения абсолютного минимума температуры воздуха за несколько лет в г Лабе.
Зимой в дневное время наблюдаются высокие уровни падающей радиации и температуры. Указанное позволяет поставить задачу создания солнечной системы теплоснабжения с аккумулированием тепловой энергии. При этих условиях эксплуатации к аккумулятору в системе теплоснабжения предъявляются следующие требования: «зарядка» тепловой энергии днем; «разрядка», т. е. удовлетворение потребностей в теплоте, ночью; способность создавать требуемый запас тепловой энергии с учетом вероятностного характера прихода солнечной энергии днем. Требования к аккумуляторам рассмотрены подробно в ряде работ [1—7].
Использование солнечного отопления экономически оправдано в любых зонах, если первоначальные затраты на строительство системы сопоставимы со стоимостью обычных отопительных систем. Одной из главных задач является оптимальная организация процесса аккумулирования солнечной теплоты. При этом для создания аккумулятора должны быть приняты приемлемые с экономических позиций решения, поскольку доля стоимости аккумулятора в общей стоимости системы значительна. Экономически приемлемое решение должно основываться на сравнительно малом объеме теплового аккумулятора. Кроме того, местные условия диктуют необходимость располагать аккумулятор внутри здания. Это объясняется тем, что стоимость выносного (в том числе и расположенного под домом) аккумулятора резко увеличивает стоимость системы аккумулирования в условиях конъюнктуры местного внутреннего рынка; высокие средние суточные температуры окружающего воздуха практически полностью изменяют принципы теплоизоляции аккумулятора по сравнению с северными широтами, где размещение последнего под отапливаемым домом определяется в значительной мере вопросами теплоизоляции; поддержание требуемого санитарного состояния в аккумуляторе (предотвращение заплесневения, что особенно характерно для аккумуляторов с каменной насадкой и воздушным теплоносителем) в местных условиях проще осуществить для встроенного аккумулятора. В современных небольших домах нельзя рассчитывать на то, что для аккумулятора солнечной теплоты возможно выделить большое пространство, по крайней мере, большее, чем объем, занимаемый традиционным очагом в типичных гвинейских домах.
Таблица 6.1. Абсолютный минимум температуры воздуха в г. Лабе, С (горный массив Фута-Джаллон, 1025 м над уровнем моря)

Годы	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь
1970	5	7	8	11	16	15	17	17	15	12	8	5
1971	4	6	9	15	13	15	15	11	17	10	10	5
1980	8	7	12	12	11	11	11	11	12	11	9	5

Если в горных районах этот очаг расположен в строении, то он занимает примерно 3—4% общего объема здания. Принимая объем «среднего» здания за 200 м³, получаем, что аккумулятор теплоты должен занимать не более 8 м³, что примерно соответствует параллелепипеду размером 1,5Х2,1Х2,5 м.
Вопрос разработки и создания солнечных систем отопления с применением аккумуляторов неразрывно связан с аккумулирующими способностями собственно здания, требующего подвода теплоты

* Работа выполнена в Советско-гвинейском научно-исследовательском центре (НИЦ), г Конакри, Гвинейская Республика, интернациональным коллективом в составе А. Исманжанова, В. Б. Козлова, Махмед Л. Каба, Б. Барри, В. А. Герасимова.

В некоторых работах, посвященных регулированию потока солнечной радиации в зданиях, рассматриваются вопросы снижения теплового потока в них, применительно к жарким климатическим районам [2, 6]. Однако в горных районах тропиков важным является эффективное пассивное аккумулирование в период солнечной части суток, что позволяет несколько снизить тепловую нагрузку на солнечную систему активного отопления. Для этого нужна правильная ориентация зданий по странам света, так как от последней зависит величина поступающей на стены зданий солнечной радиации. Для более эффективного использования аккумулирующих возможностей зданий в горных районах тропиков необходимо помимо географической широты местности учитывать ориентацию зданий. При этом массивные стены, способные осуществлять аккумулирование тепловой энергии, ориентируют в направлении тех стран света, по направлению которых наблюдаются наибольшие теплопритоки в данной местности До настоящего времени эти вопросы не были изучены в условиях Гвинейской Республики, что не позволяло дать обоснованные рекомендации для строительства в местных условиях. В результате проведенных в 1981—1984 гг. длительных измерений падающей радиации на горизонтальную поверхность и на вертикальные поверхности по странам света в Конакри и в ряде различных районов страны (включая горные районы плато Фута-Джаллон) были получены необходимые данные, они позволили получить значения радиационного потока, поступающего на горизонтальные (крыши зданий), а также вертикальные (стены зданий) поверхности, ориентированные по странам света: восток, юг, запад, север. Измерения были проведены для различных сезонов года (сезон дождей, сухой сезон, переходные периоды). Результаты измерений для двух дней сезона дождей в районе Конакри (14, 15 июля 1982 г.) приведены на рис. 6.15.
 При обработке измерений выяснилось, что в сезон дождей наибольшая солнечная радиация поступает на крышу, а затем на стены зданий, ориентированные на восток и запад. Если суммарную дневную радиацию принять за 100%, то восточная стена получает 65—70%, западная — 55—60%, тогда как южная и северная стены — только около 40—44%. В период сухого сезона, когда в атмосфере присутствует много водяных паров в виде легкого тумана и пыли, а солнце находится в южном полушарии, распределение солнечной радиации отличается от распределения в сезон дождей. Отличие сводится в основном к абсолютным значениям радиации, а указанная выше ранжировка по величине радиации по различным странам света остается без изменения.
Важным параметром, характеризующим способность строительных конструкций аккумулировать тепловую энергию, является коэффициент поглощения солнечной радиации. Его величина различна при разных состояниях поверхности. В условиях тропиков состояние поверхности бетонных конструкций резко меняется после одного или двух сезонов дождей. Бетонные поверхности покрываются плесенью, что меняет их оптические характеристики. Это должно учитываться при определении теплопритоков в здание. Зависимость коэффициента поглощения бетонных стен от длины волны при различном состоянии их поверхности представлена на рис. 6.16.
Обоснованные решения, принятые по перечисленным выше вопросам (ориентация и учет теплопритоков, определяемых состоянием поверхности зданий), позволяют оптимально осуществить пассивное аккумулирование теплоты в здании, требующем отопления в определенный климатический период в условиях горных тропиков. При этом «пассивное» аккумулирование при снижении температуры окружающей среды ниже определенного уровня может обеспечить только основу удовлетворения отопительных потребностей. Остальная часть отопительной нагрузки должна быть удовлетворена за счет работы активной системы солнечного отопления.
Разработаны методы аккумулирования солнечной энергии в активных системах, из которых наиболее распространенным считается аккумулирование в виде тепловой энергии [1—3]. Этот метод на сегодняшний день остается пока наиболее практичным для систем низкопотенциального теплоснабжения. Наиболее дешевыми, легкодоступными, надежными и удобными в эксплуатации являются аккумуляторы с водяным или воздушным теплоносителем и каменной насадкой [1, 4, 5, 7]. Среди них водяные аккумуляторы наиболее теплоемкие. Удельная теплоемкость воды составляет 4,18 кДж/(кг- град), т. е. почти в 5 раз больше по сравнению с теплоемкостью камня |в среднем 0,879 кДж/(кг· град)].
Однако изготовление водонагревательных коллекторов и теплообменников соответствующей конструкции, где требуется сложная технология для соблюдения герметичности, дефицитные материалы и тщательная эксплуатация, представляется затруднительным на данном этапе в условиях Гвинейской Республики. Для отопления выбрана схема аккумулятора солнечной энергии с воздушным теплоносителем и каменной аккумулирующей насадкой.
Для проектирования системы отопления жилого помещения необходимо экспериментально определить ряд характеристик аккумулятора. К ним, в частности, относятся: теплоемкость каменной насадки; удельное количество теплоты, аккумулируемое единицей объема или массы насадки аккумулятора; скорость ее зарядки и разрядки; максимально возможная и средняя температуры теплоносителя; динамика процессов внутреннего теплообмена в аккумуляторе; величины теплопотерь.
В Гвинейской Республике аккумулирующей насадкой в системах с воздушным теплоносителем могут служить легко доступные местные горные породы — латериты и долериты, образующие верхнюю часть грунта большей части территории страны. Информация о величине теплоемкости таких пород необходима для расчета требуемого количества гравийной насадки аккумулятора для отопления конкретного здания с учетом графика прихода солнечной радиации и других метеорологических и конструктивных факторов.
С этой целью были проведены работы по экспериментальному определению удельной теплоемкости латеритов и долеритов, взятых в различных районах страны. Эксперименты проводились методом калориметрирования, было исследовано более 20 образцов. Измерения показали, что средняя плотность латеритов составляет 2,37±0,12-103 кг/м. Удельная теплоемкость этих пород, согласно результатам экспериментов, колеблется в пределах от 2,3·103 кДж/ (м³· К) до 3,7·103кДж/(м³·К).
Средние значения удельной теплоемкости и плотности латеритов и долеритов, которые могут быть использованы в аккумуляторах, приведены в табл. 6.2.
Для сравнения в ней приведена удельная теплоемкость наиболее распространенной аккумулирующей насадки — речной гальки
Удельная теплоемкость латеритов несколько больше теплоемкости долеритов и речной гальки. Это положительно с точки зрения объема и массы аккумулятора из латеритов, необходимых для резервирования заданной величины тепловой мощности.
Для исследования особенностей процесса аккумулирования солнечной энергии в условиях тропиков была разработана
Таблица 6.2. Удельная теплоемкость и плотность типичных горных пород массива Фута-Джаллон, пригодных к использованию в качестве аккумулирующей иасадки в воздушных системах солнечного теплоснабжения и изготовлена экспериментальная установка с гравийным аккумулятором и солнечным воздухонагревательным коллектором, принципиальная схема которой приведена на рис 6.17.

Породы	Плотность, кг/(мл- 103)	Удельная теплоемкость кДж/(кг- К)
Латериты	2,37	1,09
Долериты	2,95	0,74
Речная галька	——.—.	0,88

Размеры воздухонагревательной панели с одинарным остеклением составляют 1000X760X150 мм, размеры внутренней деревянной емкости с гравийной насадкой 600 X 300 X 300 мм, размеры внешнего корпуса 800 X 500 X 500 мм, диаметр воздуховодов — 105 мм (воздуховоды теплоизолированы). Толщина теплоизоляции из древесных стружек между внутренним и внешним корпусом составляет 100 мм. Для измерения основных параметров, необходимых для проведения теплового расчета, установка оборудована пятью термопарами, позволяющими измерять температуру на различных уровнях аккумулятора по высоте. Заслонки, установленные в воздуховодах на входе и выходе из аккумулятора, позволяют регулировать расход воздуха, вплоть до полного его перекрытия.
Для работы установки в режиме принудительной циркуляции воздуха (в режиме разрядки) в воздуховоде установлен вентилятор с регулируемым числом оборотов. Расход воздуха в системе измеряется пересчетом через скорость потока (при заданном сечении), последняя определяется по анемометру. Температура воздуха в коллекторе, на выходе из аккумулятора (около анемометра), а также температура окружающего воздуха измеряются термометрами.
Эксперименты проводились на испытательной площадке научного Центра в Конакри, а также на плато Фута-Джаллон в Лабе. Тепловым аккумулятором служили латеритовые породы со средним диаметром образцов 2—2,5 см, собранные непосредственно в Лабе. Общая масса гравийной насадки в аккумуляторе равнялась 51 кг
При проведении всех экспериментов измерялись следующие параметры; интенсивность солнечной радиации, температура окружающего воздуха, влажность воздуха, температура воздуха на выходе из коллектора, температура воздуха на четырех уровнях в аккумуляторе (внизу, в середине, наверху и на выходе из аккумулятора), температура гравия (термопара была смонтирована непосредственно в середине камня), температура выходящего воздуха у анемометра, скорость воздушного потока в воздухопроводе (расход воздуха рассчитывался по градуировочной таблице анемометра).
Зависимости температуры воздуха в коллекторе и на четырех уровнях в камере аккумулирования, а также на входе из нее, температуры гравия, расхода воздуха, температуры окружающего воздуха от интенсивности солнечной радиации для двух дней непрерывного эксперимента приведены на рис. 6.18.
Как видно из представленных на рисунке результатов, наибольшая температура воздуха в аккумуляторе внизу, она постепенно снижается по высоте аккумулятора. При этом, поднимаясь вверх и отдавая теплоту камням, воздух охлаждается.

Рис. 6 13 Схема пространственного сборно монолитного каркаса лабораторного корпуса 1 монолитные железобетонные пояса; 2 панели перекрытия с регистрами отопления

Рис. 6.15. Зависимость падающей радиации W от времени суток в пределах светового дня для горизонтальной поверхности (сплошные линии) и для стен зданий, ориентированных по странам света (С, Ю, В, З), для двух дней сезона дождей
Рис. 6.16. Зависимость коэффициента поглощения бетонных стен при различных длинах волн излучения от состояния поверхности 1 — побеленные стены, 2 — непобеленные стены, 3 — стены, покрытые плесенью
Рис. 6.17. Принципиальная схема экспериментальной установки солнечного воздушного отопления с гравийным аккумулятором 1 — вентилятор, 2 — воздуховоды; 3 — термопары, 4 — теплоизоляция, 5 — гравийная насадка, 6, 7 соответственно внутренний и внешний корпусы; 8 — заслонки; 9 — анемометр, 10 — термопары, 11 — солнечный коллектор
Коэффициент полезного действия к.п.д. воздухонагревательного коллектора по ранее проведенным экспериментам равнялся 38—40%. Для определения к.п.д. собственно солнечного воздушного коллектора была создана специальная установка, с помощью которой измеряли тепловые и расходные характеристики на входе из коллектора в испытаниях отдельно от установки аккумулирования. Значения эффективности (к.п.д.) всей аккумулирующей установки, включая и коллектор, в разные дни проведения экспериментов, равнялись:3,97% — 29 сентября, 4,73% — 30 сентября; 9,2% — 1 октября; 8,35% — 2 октября. В эти дни в гравийной насадке было аккумулировано соответственно 284,58; 474,31; 822,12; 853,74 кДж тепловой энергии при падающей на поверхность коллектора радиации 8,93; 11,15; 12,77 МДж соответственно.

Рис. 6.14. Принципиальная схема системы гелиотеплохладоснабжения (ГТХС)
1 — солнечный нагреватель; 2 — накопители теплоты первой группы; 3 — накопители теплоты вто рой группы; 4 — циркуляционный насос контура накопления, 5 — водоподогреватели первой ступени системы горячего водоснабжения; 6 — водоподогреватель второй ступени, 7 — накопитель горя чей воды системы горячего водоснабжения; 8 — трубопровод от городского водопровода; 9 — потребители горячей воды; 10— узел водоподготовки; 11 — бак подпиточной воды; 12 — подпиточный насос. 13 электрокотел; 14 — водоподогреватель. 15 — циркуляционный насос контура электрокотла; 16 — блок абсорбер-испаритель гелиохолодильной и теплонасосной установки; 17 — гелиоподогреватель абсорбента; 18 — воздушный десорбер; 19 — насос крепкого раствора, 20 — вентилятор десорбера; 21 — градирня; 22 — насос градирни; 23 — циркуляционный тепловой насос; 24 — компрессорный тепловой насос системы горячего водоснабжения; 25 — компрессорный тепловой насос системы теплоснабжения и вентиляции, 26 — компрессорный тепловой насос контура накопления, 27 — потолочные панели низкотемпературной системы отопления или охлаждения, 28 — центральный кондиционер; 29 — плавательный бассейн с морской водой; 30 — водопровод морской воды; 31 — водоструйный насос; 32 — сброс морской воды, 33 — обогреваемое днище бассейна; 34 — подогреватель морской воды; 35 — насос морской воды; 36 — циркуляционный насос контура потребления; а — компрессор; б — конденсатор; в — испаритель

Если считать, что использование воздуха, выходящего из аккумулятора, теплотехнически неэффективно при температуре ниже 25° С, то в экспериментах за 28, 29, 30 сентября и 1, 2 октября 1983 г. при разрядке аккумулятора до 25° С возможно было бы получить от аккумулятора соответственно 664,02; 790,5; 1043,51; 1264,82 кДж энергии. Эффективность (к.п.д.) установки составила бы в этом случае 8,28-12,3% соответственно. Однако в некоторых режимах температура воздуха на выходе из аккумулятора достигала 35° С в режиме «зарядка». Испытания данной установки в условиях Конакри показали к.п.д. 2,37— 11,7%, в зависимости от величины падающей радиации.

Рис. 6.18. Зависимость основных теплотехнических характеристик теплового аккумулятора с воздушным теплоносителем от времени суток для двух дней эксперимента в условиях высокогорья (г. Лабе. Гвинейская Республика. 1 и 2 10.83 г.)
1 — температура воздуха внизу аккумулятора; 2 — температура воздуха в середине аккумулятора; 3 — температура воздуха наверху аккумулятора, 4 — температура воздуха на выходе из аккумулятора, 5 — температура окружающего воздуха, 6 — расход воздуха, R — солнечная радиация, Тr — температура гравия; Tk — температура воздуха в коллекторе


Рис.6.20. Зависимость температуры воздуха в тепловом аккумуляторе на различных уровнях по высоте от времени суток при проведении эксперимента в условиях тропического высокогорья (г. Лабе)
Рис. 6.19. Зависимость температуры гравия в тепловом аккумуляторе с воздушным теплоносителем от времени суток для различных дней эксперимента в условиях тропического высокогорья (г. Лабе, 29.09—2.10.83 г) Скорость нагревания гравия в аккумуляторе зависит от температуры поступающего от коллектора воздуха, а следовательно, от падающей радиации. Так, при суммарной дневной радиации 8 МДж скорость нагрева гравия составляла около 0,33° С/ч, а при значении суммарной дневной радиации 11—12 МДж скорость нагрева гравия возрастала до 1,3—1,4° С/ч (рис. 6.19).
Процесс нагрева гравия в аккумуляторе заканчивается примерно в 16—17 ч, т.е. в то время, когда начинается снижаться уровень солнечной радиации. Далее идет выравнивание температуры воздуха на различных участках объема аккумулятора за счет конвективного теплообмена (рис. 6.20).
Скорость разрядки аккумулятора (скорость охлаждения каменной насадки) также зависит от режима циркуляции воздуха. Так, при вынужденной циркуляции с помощью вентилятора, когда расход воздуха равен 3,5-103 м³/с, скорость разрядки равна 0,6—0,7° С/ч.
В режиме естественной циркуляции, когда расход воздуха менее 10-3 м³/с, скорость разрядки составляет около 0,45° С/ч. При закрытых заслонках, т.е. при отсутствии прямого воздухообмена с окружающей средой, скорость охлаждения камней снижается и составляет 0,35° С/ч (определяется только теплопотерями в окружающую среду). Поэтому, при проектировании конкретной системы солнечного отопления, схему циркуляции теплоносителя целесообразно делать замкнутой (проверено экспериментально). Для снижения тепловых потерь в процессе зарядки аккумулятора установка была реконструирована — добавлен воздуховод рециркуляции, позволяющий подавать воздух в режиме «зарядки» с выхода аккумулятора на вход в нагревательный коллектор. Указанное позволяет повысить к.п.д. установки в целом на 12—15% при прочих равных условиях.
Для расчета аккумуляторов с каменной насадкой важным показателем является объемный коэффициент теплоотдачи αν, Вт/(м·град), рассчитываемый по данным [4]:

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что их обобщение возможно с помощью приводимого выше выражения для аг, подбором численного коэффициента А, значение которого в работе [4] принято /(=650.
При расчете аккумуляторов с каменной насадкой можно использовать как аналитические, так и численные методы.
Получить аналитическое решение трудно, когда величина температуры на входе в аккумулятор является функцией времени, как это бывает при работе солнечного коллектора в зависимости от величины падающей радиации. Предпочтительнее использование численных методов.
Существенным представляется определение оптимального соотношения между поверхностью коллектора и массой аккумулирующей насадки. Использование массы аккумулирующей насадки, большей или меньшей оптимальной (при заданной поверхности коллекторов) приводит к снижению эффективности аккумулирования энергии. В каждом конкретном случае задача должна быть решена, например, численным методом.
Проведенные в Лабе эксперименты показали принципиальную возможность создания системы солнечного теплоснабжения для горных районов Гвинеи с использованием аккумулятора с каменной насадкой. К настоящему времени закончены работы по выбору оптимальной схемы отопления, элементы которой могут быть изготовлены на местной технологической и производственной базе без применения дорогостоящих и труднодоступных материалов.
Во время двух экспедиций в горный район Фута-Джаллон в 1983 и 1984 гг.
в Лабе и Делаба по согласованию с местной администрацией были подобраны два подходящих строения, которые можно переоборудовать под жилой дом со встроенной системой солнечного отопления. Подробная характеристика выбранного строения приведена в годовом отчете за 1983 г. [8]. В начале 1984 г. были закончены проектные проработки реконструкции дома в Лабе, согласованные с администрацией Гвинейской Республики [9,10]. В основу проектных разработок и выполненных расчетов положены экспериментальные данные, полученные на лабораторной модельной установке солнечного воздушного отопления.

Список литературы

1. Даффи Дж. А., Бекман У. А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. —М.: Мир, 1977
2. Андерсен Б. Солнечная энергия (Основы строительного проектирования). — М.: Стройиздат, 1982.
3. Экономия энергии при застройке городов. Пер. с англ. под ред. Э. В. Сарнацкого. М.. Стройиздат, 1983.
4. Lof G. О. G. Hawley R. W. Unsteady State Heat Transfer between Air and Loose Solids. Ind Eng Chem, 40, 1061 (1948).
5. Авезов P. P., Гафуров A. M., Рузимурадов Б. Результаты исследований системы воздушного солнечного обогрева двухэтажного двухrвартирного дома. — Гелиотехника № 5, 1983. — с. 64.
6. Харкнесс Е., Мехта М. Регулирование солнечной радиации в зданиях — М. Стройиздат, 1984. 7 Козлов В. Б., Рудяк Ю. Г. Оптимизационная модель системы солнечный водонагреватель— аккумулятор потребитель с переменным расходом теплоносителя. — Гелиотехника, № 5., 1978, с. 52.
7. Герасимов В. А., Кава М. А., Козлов В. Б. и др. Отчет Отдела гелиофизики Советско- Гвинейского Научно-исследовательского Центра (НИЦ) за 1983 г. Фонды НИЦ № 64, Конакри, Гвинейская Республика.
8. Ифоно Али, Каба Μ. М., Козлов В. Б. Отчет Отдела гелиофизики Советско Гвинейского Научноисследовательского Центра (НИЦ) за 1984 г Фонды НИЦ № 136, Конакри, Гвинейская Республика.
9. Kaba М. L., Kozlov V. В. Directions principales et methodologie de recherche du centre de Rogbane en heliophysigue. Bulletin du centre de Rogbane, № I, 1985, Conakry