В настоящее время опубликовано большое количество работ, посвященных различным вопросам аккумулирования и использования тепловой энергии. В работе [1] изложены основные принципы аккумулирования тепла и использования теплоаккумулирующих материалов. Существуют различные вещества, при кристаллизации которых при определенной постоянной температуре выделяется значительное количество так называемой скрытой теплоты фазовых переходов [2]. Эти вещества могут применяться для аккумулирования солнечного тепла. Большое количество тепла выделяется при кристаллизации воды, которая как аккумулятор тепловой солнечной энергии может найти применение для отопления закрытых помещений до высоких отрицательных температур, близких к 0 °С [3]. При аккумулировании скрытой теплоты для систем отопления подбирают вещества, плавление и кристаллизация которых происходит при температурах 30–50 °С. К таким веществам относятся хлорид кальция (CaCl2·6H2O) и сульфат натрия (глауберова соль). Количество теплоты фазового перехода хлорида кальция приближается к количеству теплоты фазового перехода воды. При использовании указанных веществ для аккумулирования скрытой теплоты фазовых переходов требуется принимать меры безопасности. Кроме того, для некоторых видов сооружений высокие отрицательные температуры являются оптимальными или допускаются в качестве рабочих. К таким сооружениям можно отнести ледовые катки, стояночные гаражи, ангары, прогулочные и спортивные помещения при детских учреждениях, круглогодичные хранилища некоторых видов овощей, сезонные хранилища овощей, хранилища ряда веществ и материалов и т.д. Применение в таких сооружениях водяных аккумуляторов солнечной энергии (ВАСЭ) является эффективным и безопасным способом использования возобновляемой энергии Солнца. Непрерывная циклическая работа ВАСЭ возможна в таких климатических условиях, при которых в летнее время обеспечивается полное таяние образовавшегося в аккумуляторах льда. На территории России применение водяных аккумуляторов солнечного тепла ограничено только в некоторых районах на Крайнем Севере из-за низких значений положительных градусо-часов наружного воздуха, снижающих эффективность такого способа получения возобновляемой энергии.
Технология использования теплоты фазовых переходов воды для обогрева помещений испытана на физической модели и на опытном гараже в холодное время года в суровых климатических условиях Центральной Якутии в г. Якутске.
Цель исследований заключалась в оценке возможности практической реализации технологии использования солнечного тепла на основе фазовых переходов (ТФП) воды для управления температурным режимом закрытых помещений и получения данных для разработки методики теплотехнического расчета. При испытании водяных аккумуляторов солнечной энергии в качестве обогревательного устройства закрытых помещений необходимо последовательно решать задачи, связанные с разрядкой и зарядкой их. В статье дана характеристика климатических условий места проведения эксперимента, изложено описание устройства опытного помещения и водяного аккумулятора солнечной энергии, приведены зависимости для определения расчетных параметров и потерь тепла, представлены основные результаты испытания опытного помещения в режиме разрядки водяного аккумулятора в холодное время года.
Результаты первого этапа испытания водяного аккумулятора солнечной энергии в качестве обогревательного устройства показали реальную возможность применения предложенного экономически эффективного и безопасного для окружающей среды способа использования возобновляемой солнечной энергии.
Устройство и теплообмен опытного помещения с окружающей средой
Необходимое количество аккумулируемого тепла в ВАСЭ определяется потерями тепла из помещения в зимнее время, величины которых обусловлены климатическими условиями, размерами помещения, термическим сопротивлением ограждающих конструкций и технологическими особенностями помещения.
Климатические условия г. Якутска за последние 5 лет характеризуются следующим [4]. Среднее значение температуры воздуха в зимнее время равно минус 22.0 °С, в летнее время 13,4 °С. Средняя продолжительность периодов с отрицательной и положительной температурами воздуха равны соответственно 4964 и 3796 ч. Средняя скорость ветра, от величины которой зависит теплообмен наружной поверхности ограждающих конструкций помещения с окружающим воздухом, равна в зимнее время 1,9, в летнее время 3,0 м/с. Низкие зимние температуры воздуха в течение длительного времени приводят к большим потерям тепла из помещения. В летнее время суммарный приток тепла в помещение ограничен вследствие невысоких температур воздуха и относительно небольшой продолжительности теплого периода. Однако в летнее время более высокая скорость ветра, чем зимой, способствует теплоотдаче воздуха к поверхности ограждающих конструкций помещения.
Опытное помещение представляет собой стояночный гараж шириной 9,0, длиной 12,0 и высотой 3,5 м и толщиной стены около 0,31 м. Общая площадь ограждающих конструкций помещения, соприкасающихся с наружным воздухом, составляет 255 м2. Площадь пола равна 93,8 м2. Гараж построен из металлического каркаса. Перекрытие и стены утеплены полистиролом толщиной 30 см и коэффициентом теплопроводности 0,452 Вт/м2К, пенофолом толщиной 8 мм и коэффициентом теплопроводности 0,383 Вт/м2К. Стены и кровля покрыты профилированным металлическим листом. Пол покрыт полистиролом толщиной 10 см и залит бетоном толщиной 20 см. Грунты основания представлены до глубины 0,3 м суглинками, ниже до исследованной глубины 10 м – мелкозернистыми песками. Среднегодовая температура грунтов равна минус 2,0 °С. Ворота шириной 3,0 и высотой 2,8 м изготовлены так же, как и стены. Внутри помещения установлены водяные аккумуляторы солнечной энергии, представляющие собой металлические резервуары с водой, изготовленные из листовой стали толщиной 3,0 мм. Для уменьшения давления льда на стенки резервуаров, возникающего вследствие увеличения объема воды при ее замерзании, они выполнены наклонными. Высота резервуаров равна 1,8 м, ширина их принята равной по низу 1,5 м, по верху 1,6 м. Суммарная длина восьми резервуаров равна 22,0 м. Резервуары заполнены водой объемом 44,3 м3 до высоты 1,3 м.
Общее количество потерь тепла из опытного объекта в холодное время года можно представить в виде суммы
Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4, (1)
где Q1, Q2, Q3 и Q4 – потери тепла соответственно через ограждающие конструкции помещения в атмосферу; через пол помещения в грунты основания; через ворота при выезде и въезде автомобиля; на нагрев охлажденного автомобиля.
Расчеты потерь тепла из зданий в окружающую среду изложены в различных нормативных документах и статьях. Наиболее подробно они представлены в работе [5].
Потери тепла через ограждающие конструкции определяются по известной формуле теплопередачи через плоскую стенку
Q1 = k1S1(t2 – t1)(τ – τ0), (2)
где k1 – коэффициент теплопередачи через многослойную плоскую стенку; S1 – площадь наружной поверхности ограждающих конструкций помещения; t1 – средняя за зиму температура внутри помещения; t2 – средняя за зиму температура наружного воздуха; τ – продолжительность периода отрицательных температур наружного воздуха; τ0 – суммарное за зиму время открытого состояния ворот помещения.
Коэффициент теплопередачи через ограждающую конструкцию помещения
(3)
где 
– коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции; v1 – средняя скорость движения воздуха вдоль внутренней поверхности ограждающей конструкции; 
– коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции; v2 – средняя за зиму скорость ветра; δi – толщина i-го слоя ограждающей конструкции; λi – коэффициент теплопроводности i-го слоя ограждающей конструкции.
Потери тепла через пол помещения приближенно можно оценить по формуле
Q2 = S2(t1 – tгр)(τ – τ0/)/R, (4)
где S2 – площадь пола; R – среднее значение термического сопротивления пола.
Для определения R площадь пола при отсутствии заглубления здания в грунт разбивается на 3 зоны [4]. Зона 1 представляет полосу шириной b1 = 2 м, отмеренную от внутренней поверхности стены. Зона 2 шириной также b1 = 2 м располагается за зоной 1. Зона 3 занимает всю оставшуюся часть площади пола.
Среднее значение сопротивления теплопередаче пола определяется по формуле
(5)
где R1 = 4,3; R2 = 8,6; 
, а площадь зон S1 = 2b1[(l – 2bc) + (b – 2bc – 2b1]); S2 = 2b1[(l – 2bc – 2b1) + (b – 2bc – 4b1]); S3 = (l – 2bc – 4b1)(b – 2bc – 4b1), м2; l – длина помещения; b – ширина помещения; bc – толщина стены; b1 = 2 м – ширина зон SI и SII.
Потери тепла через открытые ворота приближенно можно найти по формуле
Q3 = (t2 – tв)τ0(kбSб + mkTST), (6)
где tв = 0 – температура воды в резервуарах; kб и kT – коэффициенты теплопередачи через цилиндрическую и плоскую ледяные стенки; Sб = πd2l и 
– суммарные площади боковой и торцевой частей эквивалентных прямоугольным цилиндрических резервуаров в количестве n; m – коэффициент учета теплопередачи через торцы резервуаров.
Коэффициенты теплопередачи определяются известными формулами
(7)
(8)
где d1 и d2 – средние за зиму внутренний и внешний диаметры эквивалентного цилиндрического ледяного тела; αв и α1 – коэффициенты теплоотдачи от воды к цилиндрической внутренней поверхности льда и от внешней поверхности льда к воздуху помещения; λл – коэффициент теплопроводности льда.
Потери тепла на нагрев охлажденного автомобиля [5]
(9)
где G, gд и gс – масса соответственно всего автомобиля, двигателя и салона; С1 и С2 – средняя удельная теплоемкость корпуса автомобиля и средняя удельная теплоемкость материалов салона; tд и tс – средняя за зиму температура нагретого двигателя и салона; na – число открываний ворот за зиму.
Необходимое количество воды определяется из равенства
Q = QфV, (10)
где Qф – объемная теплота фазового перехода воды, равная 335,2·103 кДж/м3; V – общее количество воды в резервуарах.
Основные результаты испытания опытного помещения и их обсуждение
Проведено испытание опытного помещения в зимнее время, т.е. на этапе разрядки водяного аккумулятора тепловой солнечной энергии. Потери тепла из опытного гаража на этом этапе включают теплопередачу через стены и перекрытие в атмосферу, через пол в грунты основания, отток тепла через открывающиеся ворота для выезда и въезда автомобиля, затраты тепла на нагрев охлажденного автомобиля. Выхлопные газы при подогреве двигателя автомобиля отводились через шланг, пропущенный через отверстие в стене гаража. В процессе испытания объекта проводились наблюдения за температурой наружного воздуха, температурой воздуха в гараже и температурой грунтов его основания. Измерения температуры воздуха снаружи и внутри помещения проводились с интервалом 1 ч. Результаты этих измерений графически представлены на рисунке. Температура наружного воздуха 1 имеет минимум в середине января и характеризуется резкими колебаниями, особенно во второй половине зимы. Минимальная замеренная температура наружного воздуха в период 2018–2019 гг. составила минус 42,0 °С.
Температурные кривые в период эксперимента 2018–2019 гг: 1 – наружного воздуха, измеренные; 2 – наружного воздуха по данным [3]; 3 – воздуха в помещении; 4 – среднезимняя наружного воздуха
Кривая 2 среднемесячных температур наружного воздуха, построенная по данным [4], в основном соответствует измеренным значениям ее в период 2018–2019 гг. Температура воздуха в гараже в течение зимы постепенно понижалась почти линейно и в среднем составила минус 4,0 °С. Такой характер изменения температуры в гараже, несмотря на повышение температуры наружного воздуха во второй половине зимы, вызван, очевидно, уменьшением величины площади теплообмена воды в резервуарах с поверхностью льда. Резкие колебания температуры наружного воздуха почти не оказывали влияния на температуру внутри гаража. На кривой температуры воздуха в помещении видны импульсные ее понижения, вызванные поступлением холодного воздуха в гараж при открывании ворот для выезда и въезда автомобиля. Следует отметить, что в некоторых случаях открывание ворот происходило во время отключенного состояния датчиков температуры воздуха в помещении и, вследствие этого, всплески температуры в это время не отражены на графике 3.
Результаты первого этапа испытаний опытного помещения показывают техническую возможность эффективного использования аккумулированной в воде тепловой солнечной энергии для отопления некоторых видов помещений в суровых климатических условиях. Выявлены некоторые конструктивные недостатки в устройстве аккумуляторов тепла. Увеличение объема воды при ее замерзании вызвало повреждения некоторых резервуаров – вздутие дна, вырыв листового металла в местах сварных стяжных уголков к внутренним поверхностям боковых стенок резервуаров. Конструктивное выполнение резервуаров оказалось неудовлетворительным – недостаточная толщина стенок, небольшой угол наклона стенок резервуаров, недопустимое устройство стяжек внутри резервуаров.
Фактическое значение потерь тепла из опытного помещения, равное количеству теплоты фазового перехода залитой в аккумуляторы воды, составляет 14849360 кДж. Приведенные зависимости потерь тепла из помещения и результаты выполненных и предстоящих испытаний опытного помещения позволят разработать методику теплотехнического расчета закрытых помещений, оборудованных системой солнечного отопления.
Заключение
На основании проведенных исследований подготовлены основы для разработки методики теплотехнического расчета закрытых помещений, оборудованных водяным аккумулятором солнечного тепла в качестве системы отопления до высоких отрицательных температур. Проведены результаты испытания опытного гаража, обогреваемого теплотой фазового перехода воды, в климатических условиях г. Якутска. Результаты испытания показали эффективность применения способа даже в очень суровых климатических условиях и необходимость решения технических задач обеспечения прочности резервуаров для воды.