Преимущества и недостатки воздушного коллектора

В предыдущих разделах рассматривались солнечные коллекторы, в которых в качестве теплоносителя используется вода, но, как уже говорилось, существуют типы коллекторов, где теплоносителем является воздух. В настоящее время в Японии встречается чрезвычайно мало солнечных домов с коллекторами такого типа, но в США они нашли довольно широкое применение.

Можно сказать, что основное преимущество воздушных солнечных коллекторов состоит в том, что они обладают способностью работать при низких температурах и не требуют использования антифриза. По сравнению с Японией многие города США расположены в более северных районах, и температура е зимний период ниже 20°С там считается обычной. Если в каче стве теплоносителя применяется воздух, а не вода, то как бы ни понижалась температура, это не вызовет замерзания теплоносителя. В коллекторе с водяным теплоносителем при понижении температуры ниже 0°С вода замерзает, и при этом, как известно, расширяется столь значительно, что разрушает коллекторные трубы. Следовательно, по сравнению с водяными коллекторами, которые требуют принятия специальных мер против замерзания теплоносителей, воздушные коллекторы имеют явное преимущество. К тому же при использовании воздуха в трубах не появляются ржавчины, и создается впечатление, что проблемы коррозии в этом случае не существует.

Однако недостаток воздушного коллектора заключается в том, что если кроме отопления требуется обеспечить систему горячего водоснабжения, необходимо включить в схему водовоздушные теплообменники, а при этом требуется более высокая температура коллектора и уменьшается его КПД.

В системе отопления необходимо в качестве аккумулятора тепла иметь под землей емкость, заполненную гравием, а для отвода тепла от коллектора нужно установить трубопроводы и вентиляторы. При этом в трубах возникает сильное сопротивление проходящему воздуху, поэтому требуются вентиляторы большей мощности. Такие вентиляторы аналогичны циркуляционным насосам в контуре с водяным коллектором, но в воздухонагревательной схеме необходимо обеспечить мощность в 3-5 раз большую, чем в водонагревательной, что требует дополнительных расходов. При подсчете стоимости такой системы эти расходы имеют существенное значение, и вопрос о снижении необходимой мощности вентилятора является важной проблемой. Можно предположить, что в будущем при конструировании солнечных домов большое внимание будут уделять созданию систем с пассивным использованием солнечного тепла.

В системах с воздушными коллекторами привлекает внимание и низкая стоимость их эксплуатации. Применение воздухонагревательных систем соответствует также и климатическим Условиям Японии, поэтому, если будут продолжены разработки гелиосистем, направленные на дальнейшую экономию энергии то такие коллекторы, вероятно, получат широкое применение.

Наиболее простая конструкция воздушного коллектора, котором воздух циркулирует между тепловоспринимающей пластиной и стеклом, представлена на рисунке а. Недостаток этого типа коллекторов состоит в том, что при повышении температуры теплоносителя КПД коллектора резко падает.

Коллектор, представленный на рисунке б, обладает высоким КПД, однако существует опасность загрязнения ячеек сетки, так что на практике его используют редко.

Воздушный коллектор типа в получил наиболее широкое распространение. Струя воздуха проходит по тыльной стороне тепловоспринимающей пластины; иногда с одной стороны делают гофрированную пластину, за счет чего улучшается теплообмен и повышается КПД коллектора.

Конструкции воздушных коллекторов

а - коллектор с тепловоспринимающей пластиной; б - тепловоспринимающая поверхность ячеистого типа; в - наиболее распространенный тип коллектора, в котором струя воздуха проходит по тыльной стороне пластины; 1 - стекло; 2 - слой черной краски; 3 - тепловоспринимающая пластина; 4 - теплоизоляционный материал; 5 — корпус; 6 - сетка, окрашенная в черный цвет, либо металлическая вата; 7 - пластина; 8 - тепловоспринимающая гофрированная пластина

В Японии в лаборатории Тосиба и Танака (автора книги) ведутся научно-исследовательские разработки по созданию воздушного коллектора, составляющего единый формообразующий элемент с крышей здания.

Воздушный коллектор, составляющий единый формообразующий элемент с крышей здания

1 - желобы, предотвращающие скопление воды; 2 - стропила; 3 - несущая плита; 4 - полуармированное стекло (3 мм); 5 - тепловое принимающая пластина (алюминий 0,4 мм); 6 - гофрированная пластина для улучшения теплообмена (0,4 мм); 7 - маты из стекловолокна (фольгированные) для жилых домов (50 мм); 8 - фанерная прокладка для панели навеса (9 мм); 9 - нижняя сторона навеса; 10 - алюминиевый переплет для рам; 11 - водосток; 12 - щипец

На рисунке ниже, представлен широко применяемый в США воздушный коллектор, изготовляемый фирмой "Солалон" (главное отделение фирмы - штат Колорадо). Соединение панели и трубопроводов в коллекторе выполнено чрезвычайно просто.

Конструкция воздушного коллектора (фирма "Солалон")

1 - покрытие из армированного стекла; 2 - тепловоспринимающая пластина с селективной пленкой;
3 - выход нагретого воздуха; 4 - теплоизоляционный материал; 5 - циркуляция воздуха; 6 - вход холодного воздуха

Простейший способ изготовления устройства, предотвращающего обратную циркуляцию воздуха. При проектировании системы отопления с использованием воздушных коллекторов наибольшее осложнение вызывает отсутствие дешевого устройства для переключения направления циркуляции воздуха и для предотвращения обратной циркуляции.

Для предотвращения обратной циркуляции холодного воздуха в ночное время, а также для переключения коллекторных труб и трубопровода вспомогательного энергоисточника можно вручную смастерить соответствующее приспособление типа заслонки. На рисунке ниже, показано одно из таких приспособлений, представленное в американском журнале "Солар Эйдж", который освещает проблемы использования солнечной энергии.

Конструкция устройства, предотвращающего обратную циркуляцию воздуха

1 - металлическая сетка; 2 - алюминиевая клейкая лента; 3 - слой клейкого вещества; 4 - фторэтиленпропиленовая пленка

Для изготовления такого приспособления прежде всего надо подготовить металлическую ячеистую сетку, соответствующую Диаметру трубы, алюминиевую клейкую ленту и фторэтиленпропиленовую пленку. Такие изделия продаются как вспомогательное оборудование для высококачественных коллекторов. Затем вокруг металлической сетки, соответствующей размеру трубы, наклеить алюминиевую липкую ленту, а вверху к ней тщательно прикрепить верхний конец фторполимерной пленки и закрепить её той же лентой. По сравнению с другими видами пленок фторполимерная довольно дорогая, но отличается термостойкостью, надежностью и прочностью. К тому же у нее самая высокая плотность и она больше всего подходит для изготовления подобных приспособлений.