Рассмотрим назначение всех элементов конструкции. Ящик – это корпус узла, которого без корпуса вроде бы и нет. Стекло закрывает внутреннюю полость корпуса от атмосферных влияний и пропускает в коллектор лучистую энергию, ради поглощения которой все и делается. А можно ли без стекла? В принципе можно, но что станет с конструкцией, если ее будет заливать дождевая вода? Кроме того, стекло выполняет еще одну роль: оно снижает потери тепла коллектором за счет охлаждения его наружным воздухом (вспомним парник). Черное покрытие внутри ящика служит для повышения поглощательной способности коллектора – увеличения «усвоения» пришедшей на данную площадь лучистой энергии. Теплоизоляция снижает теплопотери с незастекленной части корпуса коллектора.
Рис. 7.21. Различные солнечные коллекторы: 1-е использованием резинового шланга; 2-е использованием шланга на гофрированной кровле; 3-е использованием шланга на металлической кровле; 4 – трубчатый коллектор; 5 – панельный коллектор; 6 – плоский коллектор; 7 – коллектор на тепловых трубах; 8 – высокоэффективный трубчатый коллектор
И повышение поглощательной способности, и снижение теплопотерь коллектора повышают его «равновесную» температуру. Что это такое? Поскольку на освещенную солнцем поверхность падает поток лучистой энергии[1] , часть которой этой поверхностью поглощается, температура ее должна расти. Вопрос: до какого значения? Если бы энергия только поглощалась, то до бесконечности. Однако этого не происходит потому, что идет не только поглощение энергии, но и ее сброс. В нашем случае энергия тратится частично с пользой – греется вода, а частично бесполезно рассеивается в окружающую среду (теплопотери). Сброс тепла с поверхности тем больше, чем выше ее температура. Если поглощение энергии больше, чем ее сброс, температура поверхности растет. Но тогда растет и сброс – до тех пор, пока не сравняется с поглощением при температуре, которая и называется «равновесной». Попросту говоря, это та температура любой реальной поверхности, до которой она нагреется на солнце.
Теплоноситель (воду) в контуре в принципе можно нагреть до равновесной температуры коллектора за вычетом некоторого температурного перепада, величина которого определяется совершенством конструкции гелиоустановки в целом. Чем выше качество коллектора, тем выше его равновесная температура, меньше достижимый температурный перепад и выше КПД – доля полезного тепла. Но именно достижение наилучших значений этих показателей и сопряжено с наибольшими затратами – хорошие коллекторы очень дороги, что и сдерживает их широкое распространение.
При желании же изготовить качественный коллектор также не удастся избежать значительных материальных и трудозатрат. Для их определения необходимо в первую очередь оценить параметры установки в целом. И тут главным, пожалуй, является вопрос о ее мощности, величина которой определяется хозяйственными нуждами, на удовлетворение которых нацелена гелиоустановка. Если отапливается дом, то какой: площадь ограждений, качество их теплоизоляции и т. п. Если потребляется подогретая вода – то ее температура и расход.
Мощность установки в первую очередь определяет потребную площадь коллектора, которая, кроме того, зависит еще от КПД установки в целом. Вопрос о КПД гелиоустановок довольно специальный и требует отдельного разговора, на что отвлекаться не будем. Отметим лишь, что для достижения его высоких значений (у коллекторов 85% и выше) промышленность использует специальные материалы и технологии, что недостижимо в условиях «домашнего» производства. Поэтому, если достичь КПД самодельной установки 50%, что очень хорошо, можно рассчитывать на получение полезных 400 – 500 Вт с 1 м2при самых благоприятных условиях. Это означает, что для получения мощности в 2 кВт (современный электрический чайник) нужно иметь 4 – 5 м2площади коллектора. Если учесть, что нынешние весьма экономичные коллекторы иностранного производства имеют конструкционную массу порядка 25 кг/м2, то легко представить себе, сколько же будет весить самодельный аналог, например, на водопроводных трубах.
Теперь посмотрим, что нам даст такая мощность установки. В случае с чайником все ясно: за несколько минут 1, 5 – 2 л воды доводятся до кипения. Но если не ставить перед гелиоустановкой такой задачи (из-за дороговизны ее решения), а задаться целью просто греть воду, что гораздо проще? Допустим, что мощность 2 кВт установка будет выдавать в течение 6 часов светового дня. Тогда запасенная энергия при всех наших допущениях составит 12 кВтч или 10 320 ккал. Если система заправлена 200 л воды, то эта энергия может поднять ее температуру на 51, 6 0С от исходного значения, при условии, конечно, что температура горячей воды не превзойдет равновесную температуру коллектора. Тем же теплом 300 л воды нагреются на 34, 4 0С, а 400 л – на 25, 8 0С. При этом понятно, что ухудшение рассмотренных нами параметров установки: площади и КПД коллектора, времени облучения и т. п. – приведет к снижению полученных результатов. Заметим также, что дешевле нагревать воду до более низких значений температуры, т. к. конструкция коллектора при этом проще.
Однако в любом случае она остается слишком сложной: тут и корпус, и герметичные соединения труб, и черная поверхность, и теплоизоляция, и остекление. Все это обеспечивается соответствующими наборами материалов и технологических операций. Хорошо бы было от всего этого отказаться, но из литературы следует – иначе нельзя. А так ли это?
Давно замечено, что кровля, из чего бы она ни была, в солнечные дни нагревается так, что именно от нее теплоизолируют мансардные помещения. Ясно, что кровля «в силу своего положения» уже является солнечным коллектором, поскольку хотим мы этого или не хотим, а лучистую энергию она поглощает. Кроме того, площадь кровли, как правило, несоизмерима с площадью промышленно изготавливаемых модулей коллекторов (1, 5 – 2 м2), которые объединяются в систему в зависимости от желаемой мощности.
Другое дело, что равновесная температура кровли по сравнению с этой же температурой высокоэффективного коллектора промышленного изготовления невысока. Но если такие коллекторы, а значит, и нагреваемая в них вода, обходятся дорого, то, может быть, есть смысл использовать действительно «дармовое» тепло кровли (или другой греющейся на солнце поверхности) для получения менее нагретой воды, отказавшись от изготовления традиционных коллекторов?
Замечено также, что в брошенном как попало на садовом участке шланге для полива вода в солнечные дни нагревается так, что при подаче воды из водопровода, пока она дойдет до среза шланга, можно успеть принять сначала горячий, а затем и теплый душ. Поскольку такой шланг лежит и в тени, и на земле, равновесная температура его невысока, а о КПД «системы» говорить в этом случае не приходится. И то, и другое существенно возрастает при размещении шланга на крыше, в результате чего получается простейший, но отнюдь не плохой коллектор. Концы шланга подсоединяются к бочке – термоаккумулятору, и вся система готова. При этом отпадают все (весьма многочисленные) технологические операции, остаются лишь возможные сращивания шланга (операция тривиальная) и крепление его на крыше (кстати, коллекторы, какие бы они ни были, крепить тоже надо, что при их массе может вызвать осложнения).
Простейшая конструкция крепления сложенного в змеевик шланга на кровле из волнистых листов приведена на рис. 7.22. Видно, что помещенный во впадинах гофров кровли змеевик вполне надежно укрепляется двумя горизонтальными поперечинами 2, которые могут фиксироваться крепежом листов кровли (например, шиферными гвоздями). Правда, в этом, самом простом случае при монтаже и демонтаже шланга его придется протягивать, как иголку с ниткой, через все занимаемые им гофры, что не очень удобно. Чтобы избежать этого, поперечины можно сделать съемными, закрепляя их на зафиксированных на обрешетке шпильках или болтах 4 с гайками. Монтаж коллектора (шланга) при этом заключается в навешивании на шпильки верхних петель змеевика с последующей фиксацией и верхних, и нижних петель прижимными поперечинами.
Строго говоря, в этом случае мы имеем коллектор, которого как бы и нет: ведь крыша существует и выполняет свои функции сама по себе, а шланг можно снять в любой момент и использовать для других целей. Просто объединенные в определенный момент креплением, они выполняют новую функцию – солнечного коллектора, хотя и простейшего. Такая «несуществующая» конструкция не требует не только изготовления, но и эксплуатационных затрат (как средств, так и времени), что, безусловно, большое достоинство, как и простота сезонных монтажа и демонтажа. Еще одним плюсом является заведомо большая площадь коллектора – крыши, для которой к тому же не требуется никакой ящик (корпус).
