1. Предисловие
Заинтересовался я солнечными водонагревателями (гелиоколлекторами, ГК) более 5 лет тому назад. Обратило на себя внимание селективное покрытие – характеристики близки к идеалу. И в то же время – однослойная стеклянная теплоизоляция… Одинарные окна уже давно даже в деревнях не применяют. Но здесь многослойное стекло не подходит – усложнение конструкции и существенное утяжеление… Замена стекла на пластмассу решает целый ряд проблем. Возник вопрос: а какая теплоизоляция самая лучшая, как получить максимальный эффект? И: а насколько можно уменьшить теплопотери излучением обычного (неселективного) покрытия путем экранирования его многослойными экранами? Так ли уж необходимо селективное покрытие?
Решил проверить некоторые идеи экспериментально на макете (режим разогрева) с неселективным покрытием. Вот он, на фото. Нет, использовать его для практических целей я не собирался – негде… Только померить характеристики. И еще его достоинство –легкость переделок, возможность испытывать разные конструктивы.
Соседи по гаражу одобрили. Особенно им понравилось, как он весело пускал струю пара поздней осенью, при температуре около 0 градусов.
Результат: некоторые конструктивы показали довольно высокую полезную мощность. Некоторые - не оправдали надежд. Как потом показал анализ – и не могли быть эффективными. Более подробно расскажу позже, но главный вывод – неселективное покрытие может использоваться, по крайней мере, при температуре до нуля градусов. С селективным покрытием характеристики лучше, но это дороже…
Но самый главный вывод, который я довольно быстро сделал для себя – не так все просто... В многослойной прозрачной теплоизоляции действуют довольно сложные механизмы теплопередачи. Интуитивно, “методом тыка” быстро найти верное решение невозможно. Математическое моделирование позволяет значительно сократить этот путь, позволяет начать моделирование с точки, которая довольно близка к оптимуму. Характеристики примененных в макете конструктивов изоляции были проверены расчетами. Результаты расчетов показали хорошую сходимость с результатами испытания макета. Это дало основания для доверия к расчетам других вариантов изоляции.
В качестве примера рассмотрим результаты расчетов характеристик двух вариантов простейшей однослойной изоляции. Для расчетов приняты граничные толщины оболочек:
- 5 мм – максимальная толщина стекла, применяемого для изоляции солнечных водонагревателей, в расчетах приняты спектральные характеристики поликарбоната (близкие к стеклу);
- 0.01 мм – минимальная толщина пленки из поликарбоната, имеющейся в свободной продаже.
Для расчета также принято:
- мощность солнечного излучения – 1000 Вт/м2, в том числе:
= УФ – 100,
= видимый – 450,
= ИККВ – 450.
- температура абсорбера/воздуха – 100/0 °С;
- коеф. поглощения абсорбера - 0.95/0.03;
- толщина воздушного зазора – 40 мм.
Как показано на диаграмме, при толщине экрана 5 мм КПД в этом режиме снижается примерно до 21%. Основная часть тепловых потерь приходится на излучение (45%) – несмотря на его пониженную температуру, такой экран является более мощным излучателем тепловой энергии чем абсорбер (коэффициенты излучения 0.9 и 0.03). Снижение толщины экрана уменьшает его коэффициент излучения до значений менее 0.1 и повышает КПД примерно до 72%.
В обеих приведенных вариантах прочностные характеристики не сбалансированы с их необходимыми значениями. Так, например, для стеклянного листа градоустойчивость (из-за его высокой хрупкости) обеспечивается при толщине около 5 мм. Для поликарбоната такая толщина явно избыточна. Сотовые поликарбонатные панели считаются градоустойчивыми при толщинах оболочек около 0.5-0.7 мм. Можно предположить, что более эластичные пластиковые структуры будут способны выдерживать градовые воздействия при меньшей толщине оболочек. Однако, эти предположения безусловно требуют подтверждения экспериментами. При толщине же экрана 0.01 мм его прочность явно недостаточна. А всегда ли нужна градоустойчивость? Если расчитывать только на ветровые нагрузки, то выходим в другую область толщин... Таким образом, при разработке гелиоактивной (прозрачной) теплоизоляции одной из основных задач является балансировка ее прочностных и теплофизических характеристик. Другими словами – достижение максимальных теплофизических характеристик при заданной прочности.
Забегая наперед, можно сказать, что наиболее эффективные из известных солнечные водонагреватели с вакуумированными трубками тоже оказались далеки от совершенства...
Я собираюсь рассмотреть, в первую очередь водонагреватели из сотовых панелей. Это наиболее простой и довольно эффективный конструктив, который легко изготовить даже в гаражных условиях. Это первый шаг, здесь я постараюсь объяснить все без умолчаний, отвечу на вопросы. Но есть уже, по крайней мере, второй и третий шаги... Оптимизация гелиоактивной теплоизоляции - это огромная тема, для нее есть много областей применения. Здесь я еще не решился... Надеюсь на понимание.
"Бумагой" не собираюсь торговать. А помочь довести проект до коммерческого использования - вопрос может обсуждаться, это интересная работа.