Разработано большое число методик расчета емкости аккумулятора. Многие из них более усложнены, чем это требуется, и их можно изложить в сравнительно простом виде, вводя некоторые допущения. Однако большинство методов требует довольно точной информации по рабочим характеристикам коллектора, а также подробных погодных данных. Поскольку такая информация иногда отсутствует, приходится выполнять приближения и, если возможно, предусматривать условия для изменения конечной емкости аккумулятора после установления действительных рабочих характеристик в процессе эксплуатации. Например, бетонный резервуар для воды избыточного размера можно наполнять до различных уровней в процессе реальной работы, пока не будут получены наилучшие характеристики системы.
Вообще, лучше иметь завышенные габариты аккумуляторы, чем заниженные, чтобы поддерживать среднюю температуру на как можно более низком уровне. Ограничение габаритов обычно обусловливается наличием необходимого пространства и возможностью установки аккумулятора с низкотемпературным теплом в жилом помещении. Например, для отопительной системы с температурой воздуха 55°С, не подходит аккумулятор тепла с средней температурой менее 55°С. Исследования, проведенные фирмой «Тотал энвайронментал экшн» показывают, что коллектор, работающий при средней температуре 32°С, улавливает в 2 раза больше энергии в течение отопительного сезона в Бостоне, чем коллектор со средней температурой 60°С. Соответственно, средние температуры аккумулятора в этих случаях составляют 30 и 57°С. Полезный температурный диапазон для низкотемпературного аккумулятора может быть от 25 до 50°С, или полная разность температур около 22°С, однако, аккумулятор с более высокими температурами имеет потенциально более широкий диапазон температур при допущении, что отопительная система может работать с низкими температурами аккумулятора. Если это так, то полезный температурный диапазон может быть от 27 до 77°С, или полная разность температур составит 50°С, примерно в 2 раза превышая величину для низкотемпературного аккумулятора. Поэтому высокотемпературный аккумулятор может быть в 2 раза меньше по габаритам, чем низкотемпературный, и аккумулировать то же количество тепла.
При установлении габаритов аккумулятора необходимо определить полный тепловой поток. За исключением необычных конструкций, единственным источником тепла для аккумулятора является коллектор.
Это тепло теряется двумя основными путями:
- потери вследствие теплопроводности (и иногда конвекции) из бака-аккумулятора непрерывно круглые сутки;
- потери энергии, поступающей в здание в виде тепла, причем в количествах, меняющихся в самых широких пределах каждый час и каждый месяц.
Кроме того, энергия часто теряется при нагреве (или подогреве) воды для хозяйственных целей, однако, эти потери более регулярны и предсказуемы благодаря сравнительно постоянному ежедневному спросу.
Аккумулирующая система любого типа требует большого количества изоляции для уменьшения потери тепла в окружающую среду. Чем выше ее средняя температура и чем холоднее окружающая среда, тем больше требуется изоляции. Если аккумулятор находится в пределах отапливаемого помещения, то изоляции требуется, естественно, меньше, чем в случае, когда он располагается вне здания или в подвале. Земля может служить изоляцией аккумулятору тепла, но полагаться на нее стоит в редких случаях; перемещение даже небольшого количества влаги через грунт практически сводит на нет его изоляционные свойства.
Для низкотемпературного аккумулятора, расположенного в пределах отапливаемого помещения, должна применяться изоляция, эквивалентная по крайней мере, 150-мм слою стекловолокнистой изоляции (R=20). При температурах аккумулятора более 95°С, поддерживаемых в течение нескольких месяцев, должна применяться высокоэффективная уретановая изоляция толщиной не менее 900 мм, например, когда тепло запасается летом для зимнего использования.
Все каналы и трубы должны иметь изоляцию в соответствии с теми же высокими стандартами, что и для аккумулирующего бака или бункера. Разумеется, близость бака-аккумулятора к коллектору уменьшает теплопотери от каналов и труб; также несколько снижается стоимость переноса энергии.
Одна из наиболее неточно распространяемых концепций солнечного отопления касается количества дней тепловой инерции солнечного накопителя тепла. Система, рассчитанная обеспечивать теплом в течение двух облачных дней в апреле, будет значительно меньше системы, рассчитанной на 2 облачных дня в январе. Также система, обладающая двухдневной тепловой инерцией для среднеянварских температур, будет более чем в 2 раза меньше системы, рассчитанной на 2 самых холодных дня в январе. Кроме того, дом, получающий большой приток солнечного тепла через окна и имеющий значительную тепловую массу для накапливания тепла, не будет нуждаться в энергии от солнечного коллектора долгое время после исчезновения солнца.
Последовательность солнечных и облачных дней также имеет значение для определения параметров аккумулятора. Экстремальным оптимумом является регулярное чередование солнечных и облачных дней. Можно рассчитать солнечную установку на поглощение тепла в течение одного солнечного дня с последующим облачным днем. До 100% потребности в отоплении можно обеспечить за счет солнечной энергии, если система рассчитана на период из двух самых холодных дней.
Если последовательность выражается двумя солнечными днями, за которыми следуют два облачных дня, то аккумулятор должен быть в 2 раза больше, чтобы удовлетворить потребность в отоплении в течение двух облачных дней, в то же время габариты солнечного коллектора увеличатся незначительно или не увеличатся совсем. Если последовательность представляет собой один солнечный день, сменяемый двумя облачными, то размеры солнечного коллектора необходимо увеличить с тем, чтобы за один день собрать количество тепла, достаточное для последующих нескольких дней, однако аккумулятор будет того же размера, что и в случае последовательности 2 солнечных — 2 облачных дня. Широкие колебания последовательности солнечных и облачных дней для определенных местоположений делают невозможным обобщенно говорить об этой проблеме.
Поскольку задача системы солнечного отопления заключается в обеспечении определенной доли потребности здания в отоплении, имеется два основных подхода к определению окончательных размеров аккумулятора.
По первому методу сначала определяются параметры коллектора в соответствии с потребностями здания в данной географической точке. Затем определяется диапазон средних температур аккумулятора. (Предварительно, чтобы определить выход энергии из коллектора и его размеры, необходимо найти его среднюю рабочую температуру. Ее можно принять на 3°С выше средней температуры аккумулятора.)
После установления температурного интервала аккумулятора вычисляется количество тепла, которое можно накопить на 1 кг (или на 1 м3) теплоаккумулирующей среды. Полученная величина делится на количество кДж, которое солнечный коллектор уловит в течение среднего солнечного дня. Это и будет приблизительная общая масса (или объем) аккумулятора.
Например, если средняя температура коллектора равна 38°С, то средняя температура аккумулятора будет около 35°С. Полезный диапазон температур в течение суток может быть от 30 до 40°С, или 10°С. В 30 дм3 камней весом около 55 кг будет накоплено примерно 530 кДж в температурном интервале 10°С. Если солнечная установка улавливает на 1 м2 коллектора 11350 кДж за средний солнечный день, то на каждый 1м2 поверхности коллектора потребуется не менее 550 дм3 камней.
Чем больше повышение температуры в аккумуляторе тепла за один солнечный день, тем выше средняя рабочая температура и тем ниже общий КПД. Кроме того, в сравнительно теплую зимнюю погоду после второго солнечного дня температура аккумулятора поднимется еще выше, особенно если для поддержания температуры в здании требуется небольшое количество тепла. На третий день температура еще больше поднимется, вызвав дальнейшее повышение средней рабочей температуры коллектора.
Второй метод определения параметров теплоаккумулятора основан на количестве градусо-дней отопительной нагрузки, в соответствии с которыми система должна обеспечивать здание. Определяется температурный интервал и средняя температура, затем подбирается коллектор соответствующих габаритов.
Пожалуй, одним из наиболее важных аспектов использования солнечной энергии является необходимость в полногабаритной дублирующей отопительной системе на периоды холодной облачной погоды и на случай истощения аккумулятора солнечного тепла. Если источником энергии для дублирующей системы является газ или электричество, то следует устанавливать полногабаритное оборудование для обеспечения дублирующего отопления, которое может потребоваться, когда коммунальное хозяйство испытывает пиковый спрос.