Сохранение солнечного тепла до зимнего периода

Если установить солнечный коллектор, имеющий площадь, достаточную для того, чтобы обеспечить выработку тепла на отопление дома в зимний период, то в летний период в системе горячего водоснабжения появятся излишки тепла, а летом и осенью системе охлаждения дома будет не хватать энергии. Многие работают над возможностью использовать излишки тепла, получаемого летом, для отопления домов зимой. Вопрос состоит в том, возможно ли решить эту задачу технически и будет ли это выгодно в экономическом отношении.

В настоящее время наиболее распространенные способы длительного сохранения тепла сводятся либо к аккумулированию его в грунте, либо к установлению в грунте бака-накопителя с водой. Кроме того, предлагаются различные проекты аккумулирования тепла: в частности, использование для этой цели кальцинированной соды, применение гибридов металлов, а также накопление тепла, выделяющегося при химических реакциях. Однако все они, по всей вероятности, вряд ли найдут широкое применение в будущем.

Главным преимуществом аккумулирования тепла в грунте является его дешевизна. Однако теплопроводность грунта слишком мала, поэтому приходится использовать теплопроводные трубы, создание и применение которых обходится весьма дорого. С другой стороны, для длительного хранения тепла необходима хорошая теплоизоляция. С этой точки зрения теплопроводность грунта слишком велика, и, хотя емкость с аккумулированным теплом со всех сторон окружена теплоизоляцией, эффективность этой изоляции недостаточна.

Первоначальные проекты грунтового аккумулирования тепла в экспериментальных вариантах сводились преимущественно к непосредственному использованию в зимний период накопленного тепла при температуре теплоносителя, достаточной для отопления дома. Однако, как бы тщательно ни сохранялось тепло в грунте, в процессе его передачи потребителю температура воды снижается, поэтому его можно использовать, например, для обеспечения энергией теплового насоса. Применение теплового насоса, в котором аккумулированное тепло служит горячим источником, во многих районах (за исключением очень холодных) выгодно в экономическом отношении.

В установленном в грунте теплоаккумуляторном баке с водой Циркуляция тепла осуществляется по простой схеме; тем неменее расходы на проведение всех работ составляют чрезвычайно большие суммы. Чтобы снизить эти расходы, необходимо создать дешевую технологию подготовительных и строительно-монтажных работ при сооружении больших баков. При долгосрочном аккумулировании тепла наиболее сложной является проблема максимального снижения тепловых потерь с поверхности бака-аккумулятора. В этом случае целесообразнее использовать баки-аккумуляторы больших размеров. Например, прямоугольный бак-аккумулятор с ребрами 5x50 м, оборудованный теплоизоляцией, имеющей К = 0,1 ккал/(м²∙ч∙°С), в течение года может сохранять температуру 80°С. В зимний период тепло передается потребителю при температуре теплоносителя 50°С, У баков-аккумуляторов малых размеров, в которых количество запасенного тепла равно 3,75 • 10⁶ ккал, теплопотери доходят до 112%, а у крупных баков, аккумулирующих 4,2∙10⁸ ккал тепла, теплопотери составляют всего 11,2%, т.е. преимущество крупных баков-аккумуляторов очевидно.

Для отдельного, индивидуального дома при маломасштабном использовании солнечного излучения долгосрочное аккумулирование тепла затруднительно. Если это возможно, то целесообразнее наладить крупномасштабное использование солнечной энергии для теплохладоснабжения целого района. В Швеции и других северных странах, расположенных на высоких широтах, зимой приход солнечной радиации чрезвычайно мал, а летом, при большой продолжительности периода солнечного сияния, наоборот - очень велик, поэтому вопрос о длительном аккумулировании тепла вызывает там значительно больший интерес.

На рисунке представлена схема экспериментального подземного аккумуляторного бака объемом 725 м³, предназначенного для общественного здания; имеются проекты сооружения теплоаккумуляторных баков емкостью 10000 м³.

Схема системы отопления с долгосрочным аккумулированием тепла

1 - здание; 2 - вращающиеся опорные подставы; 3 - солнечные коллекторы; 4 - слой теплоизоляции; 5 - облицовка; 6 - часть грунта, аккумулирующая тепло

На большей части территории Японии приход солнечной радиации в зимний период значителен, проблема долгосрочного хранения тепла не актуальна, а в промежуточные сезоны и летом наблюдается некоторый излишек тепла. В связи с этим возникает дилемма: оставить этот излишек тепла без внимания или использовать его для каких-либо целей? Возможно, в будущем удастся соорудить дешевые теплоаккумуляторные резервуары, обладающие сейсмической устойчивостью (не подверженные влиянию землетрясений), которые в период дождей можно было бы использовать как плавательные бассейны.

Архитекторы считают, что проблема долгосрочного аккумулирования для солнечных домов с маломасштабными гелиосистемами еще далека от практического решения, хотя и представляет определенный интерес.