Новый солнечный воздушный коллектор способен стабильно отапливать помещения ночью

11:10, 23 июня 2023

Устройство эффективнее мировых аналогов сразу по нескольким параметрам

Новый коллектор экономичнее своих предшественников. Фото: Владимир Алехин.

Коллектив ученых из Уральского федерального университета и Сычуаньского сельскохозяйственного университета (Китай) разработал, изготовил и успешно испытал солнечный воздушный коллектор. Он значительно превосходит мировые аналоги по параметрам эффективности аккумуляции тепла, теплопроводности, теплоотдачи, экономичности. Новый солнечный воздушный коллектор способен стабильно отапливать помещения не только в дневное, но и ночное время. Статья о научно-исследовательской и конструкторской работе опубликована в журнале Applied Energy.

Новизна этого коллектора в том, что он разработан на основе композитного аккумулятора тепла, который изготавливается сплавлением материала с фазовым переходом и медной пены.

«У нового коллектора, по сравнению с коллектором без использования медной пены, теплопроводность увеличилась более чем в два раза. Он на полчаса быстрее перешел в режим накопления тепла, период накопления оказался короче, объем накопленного тепла — значительно больше, температура нагрева — выше. Другими словами, улучшилась теплоаккумулирующая способность устройства. Это позволило ему выделять большее количество тепловой энергии в ночное время, то есть повысилась эффективность теплоотдачи. При этом время тепловыделения сократилось на 20 %, а снижение температуры воздуха на выходе из коллектора составило до 10 %», — комментирует Владимир Алехин, заведующий кафедрой систем автоматизированного проектирования объектов строительства института строительства и архитектуры УрФУ, руководитель исследований с российской стороны, соавтор статьи.

Благодаря улучшениям распространение тепла в помещении стало равномернее, уменьшился диапазон колебаний температуры в помещении, находиться в нем стало комфортнее. А запас тепла, сохраняющегося в коллекторе, увеличился, поэтому его остывание происходило медленнее. Таким образом, новый коллектор экономичнее своих предшественников.

Новый солнечный воздушный коллектор успешно прошел испытания на территории Китая, при температурах от −15 до +5 °C. Испытания показали: если предыдущие мировые исследования были сосредоточены на одном-двух факторах эффективности солнечных воздушных коллекторов, то группе российских и китайских ученых удалось улучшить целый комплекс параметров.

Конструкция «классических» солнечных воздушных коллекторов, которые устанавливаются на внешних стенах зданий, включает прозрачные стеклянные крышки, солнечные теплопоглощающие панели, изоляционные слои и металлические оболочки. Солнечные поглотители являются основными компонентами, которые преобразуют световую энергию в тепловую, а затем используют воздушную среду для передачи тепла в помещение.

«Из-за прерывистости солнечной энергии традиционные солнечные воздушные коллекторы не могут обеспечить отопление в ночное время. Наука решает эту проблему, разрабатывая модели солнечных воздушных коллекторов с использованием материалов фазового перехода. Они обеспечивают повышенную скорость и плотность накопления энергии, ее сохранение внутри коллектора и, таким образом, способствуют уменьшению колебаний температуры и повышению теплового комфорта в помещении», — поясняет Владимир Алехин.

Однако у солнечных коллекторов из материалов с фазовым переходом есть свои недостатки: низкая теплопроводность таких материалов снижает эффективность хранения тепла в коллекторе. Это влияет на тепловые характеристики коллекторов и повышает требования к комплексному отоплению для пользователей зданий. Чтобы улучшить теплопроводность, исследователи разных стран сочетают материалы с фазовым переходом и пенометаллы, в частности, пористую и легкую медную пену, которая известна своей высокой теплопроводностью.

Справка

Сельская местность отличается низкой плотностью населения и рассредоточенностью жилых строений, поэтому зачастую она непригодна для установки систем центрального отопления. По этой причине сельские жители до сих пор пользуются печами и каминами, древесным углем. Эти традиционные методы обогрева жилья малоэффективны и вызывают серьезное загрязнение окружающей среды. По прогнозам ООН, к 2030 году выбросы углекислого газа из таких зданий достигнут примерно 30 % от общемировых.

Поэтому чрезвычайно важны дальнейшие разработки солнечных воздушных коллекторов, которые используют экологически чистую энергию. Основные достоинства таких коллекторов — простота устройства, эксплуатации, высокая эффективность, морозостойкость и надежность.