Пассивные и активные солнечные системы отопления

Содержание

Солнечные системы отопления частного дома: есть ли выгода

Пассивные и активные солнечные системы отопления

Рождённый Хаосом властелин вселенной Ра, светоносный страж небесной тверди Сурья, объезжающий на колеснице небосвод Гелиос, неистовый в своих страстях Ярило — все древние народы мира почитали Солнце, осознавая, что источаемые им тепло и свет являются первоосновой жизни. Современная цивилизация пытается найти пути использования чистой и на ближайшие миллионы лет нескончаемой энергии дневного светила, избавившись от необходимости сжигания углеводородов. Солнечное отопление — один из этапов этого пути к всеобщему процветанию.

Типы солнечного отопления

Применяемые сегодня методы использования солнечной энергии для обогрева жилища (и не только) можно разделить на пассивные и активные. Пассивное отопление дома солнцем предусматривает прямой нагрев внутренних помещений за счёт инфракрасного излучения.

Активное основано на получении тепловой либо электрической энергии в специальных установках, зачастую расположенных за пределами здания, последующего её преобразования и распределения для нужд отопления.

Наиболее эффективно такое солнечное отопление дома, где совмещаются как пассивные, так и активные методы.

Окна — на юг

Вроде бы все должны понимать, что, расположив основную часть окон с солнечной стороны дома, мы впустим в помещения не только свет, но и тепло. Однако, проезжая по нашим коттеджным посёлкам, можно убедиться, что добрая половина застройщиков не придерживается рационального принципа «дом — на северную часть участка, а окна — на юг». А зря.

Огромные витражи энергосберегающей конструкции Eagle Ridge Residence (США) открыты на южную и западную стороны, впуская в дом максимум тепла и света. С севера здание ограничивает глухая, хорошо утеплённая стена

Зимой низко стоящее солнце проникает в помещения на всю их глубину, а летом, когда светило в зените, от перегрева защищает козырёк, выступающий более чем на два метра от стеклянного фасада

Стена Тромба

В 40-х годах прошлого века американский инженер Тромб придумал «солнечную печку». С южной стороны дома расположена массивная стена из теплоёмкого материала (бетон, камень, полнотелый кирпич), окрашенного в чёрный цвет. В нижней и верхней части этого теплоаккумулятора имеются отверстия. Снаружи на небольшом расстоянии от стены — стеклянный витраж.

Солнце нагревает бетон, тёплый воздух стремится подняться вверх, выходит в помещение, а холодный поступает в пространство между камнем и стеклом снизу. Образуется устойчивая циркуляция тёплого воздуха в помещении. Благодаря изобретению селективных покрытий для стекла и камня (бетона), эффективность стены Тромба в современном исполнении стала заметно выше.

Принцип действия стены Тромба. Приятный бонус: её можно использовать не только зимой для косвенного обогрева дома (на рисунке справа), но и летом для вентиляции (слева)

Воздушный солнечный коллектор

Логическое развитие стены Тромба. Представляет собой пустотелый плоский ящик (панель), для лучшего улавливания излучения располагаемый наклонно.

Верхнее ограждение панели — прозрачное для инфракрасного излучения, а вдоль её разделяет перегородка. Окрашенная в чёрный цвет, перегородка нагревается, тёплый воздух поднимается и поступает в комнату.

В нижнюю, холодную часть коллектора проникает ещё не нагретый воздух из помещения.

Пассивный воздушный солнечный коллектор — простейшее устройство. Выполнить такое солнечное отопление своими руками под силу любому хозяйственному мужику

Гелиотеплица — свежие овощи как бонус

Солнечная теплица, пристроенная к дому. Чтобы «впустить» в дом больше солнца, нужно увеличить площадь окон. Сделать стеклянной всю южную стену в холодном климате проблематично, слишком высоки будут теплопотери.

Отделив часть здания со стеклянными стенами и крышей от основных помещений дома, получим гелиотеплицу. Она почти не помешает проникновению в окна дома инфракрасного излучения, в дополнение к этому нагреется наружная стена внутри оранжереи.

В яркий зимний солнечный день воздух в гелиотеплице может прогреваться до существенно большей, чем в доме, температуры.

Солнечным днём гелиотеплица может перегреваться, что является проблемой для летнего времени. Приходится организовывать вентиляцию либо затенять витражи.

Чтобы максимально использовать тепло, полученное теплицей, можно организовать воздухообмен с жилыми помещениями.

Оранжерею солнечного дома в Винчестере (США) от основной части дома отделяет массивная теплоаккумулирующая стена с открывающимися вентиляционными отверстиями. Такое решение — сочетание гелиотеплицы и стены Тромба. Установленные в теплице канистры с водой помогают дольше сохранить тепло

Естественный воздухообмен между теплицей и домом довольно слаб и, чтобы использовать энергию по максимуму, движение воздуха делают принудительным.

Воздухообмен между основной частью этого дома в Хэмптдене (США) и пристроенной теплицей организован через подпольное пространство, тёплый воздух поступает в помещения снизу, а остывший в теплицу сверху. Циркуляцию воздушных потоков обеспечивает вентилятор, автоматика включает и выключает его в нужное время. Практически, это уже солнечное отопление частного дома активного типа

Дополнительный бонус, который даёт гелиотеплица своим хозяевам: почти круглый год в ней можно выращивать овощи или оставлять цитрусовые на зимовку. Правда, это потребует решения проблем вентиляции, влажности, дневного перегрева и ночных заморозков.

Вакуумный солнечный коллектор

Наиболее совершенное на сегодняшний день устройство для гелиоотопления.

Принципиальная схема вакуумного солнечного коллектора. Жидкий абсорбер, циркулирующий по U-образным трубкам, при нагревании испаряется и поднимается вверх, в коллектор. Последний подсоединён к контуру системы отопления и по нему, в свою очередь, циркулирует жидкий теплоноситель. Абсорбер отдаёт энергию теплоносителю, остывает, конденсируется, опускается вниз. Цикл повторяется

Солнечное отопление загородного дома на основе вакуумных коллекторов значительно эффективнее других гелиосистем, однако, помимо традиционной для гелиосистем неравномерности генерации тепла, у него имеется ещё три существенных недостатка:  на сильном морозе теплоотдача резко падает, установки хрупки и дорого стоят.

Вакуумные солнечные коллекторы следует устанавливать таким образом, чтобы они были защищены от вандалов. Это особенно актуально для нашей страны, попасть камешком в стеклянную трубочку — милое дело

Вакуумные панели не подключают к системе отопления напрямую. Необходимы, как минимум, буферные ёмкости, которые будут сглаживать неравномерность выработки тепла.

«Правильная» схема подключения вакуумного гелиоколлектора к системе отопления. Тепло передаётся не напрямую, а через теплообменник, дневные излишки тепла на ночь запасаются в теплоаккумуляторе (буферном баке). Обратите внимание, что на схеме изображён «нормальный» отопительный котёл, солярная система лишь дополняет его

Электрические солнечные панели можно использовать для отопления лишь косвенно. Расходовать электроэнергию на нагрев помещений напрямую неразумно, ей можно найти более рациональное применение. Например, направить на работу вентиляторов и автоматики активных гелиосистем.

Почему на крышах наших домов не видно гелиоустановок

Интернет пестрит рекламными материалами с красивыми картинками, повествующими о необычайной выгоде гелиосистем. Народные умельцы выкладывают в ролики на тему «отопление от солнца своими руками» о собственных ноу-хау, собранных на коленке из подручных материалов.

Сеть пухнет от перепостов восторженных статей, рассказывающих о чудесных преимуществах солнечного отопления.

Однако, много ли домов с солнечными коллекторами на крыше появилось за последние годы поблизости от вашего дома? Ни одного? В чём же причины того, что отопление солнечной энергией в наших краях не находит признания?

  • К сожалению, солнечная энергия для отопления домапоступает не тогда и не туда, когда и куда нужно. Холодно бывает ближе к полюсам, зимой и по ночам. А максимум солнечного излучения приходится на экваториальные районы, на лето и день. Теплоаккумуляторы худо-бедно помогают сгладить суточные, но не сезонные перепады.

Карта интенсивности распределения солнечного света по территории России. В Западной части страны, где живёт львиная доля населения, солнца мало.

А в восточной Сибири, где доля излучения заметно выше, холодно, что затрудняет использование активных систем. Кстати, солнечные панели, вырабатывающие электричество, не столь чувствительны к сильным морозам.

В холодной, но солнечной Якутии уже построены и успешно функционируют довольно мощные гелиоэлектростанции.

  • Пассивное отопление солнечной энергией малоэффективно и не способно сколь-нибудь серьёзно обогреть дом в условиях русской зимы. «Окна — на юг» — реально полезный метод проектирования, ничего не стоящий, но помогающий оптимизировать расходы на отопление. А вот некогда относительно популярные в США гелиотеплицы, стены Тромба и их производные постепенно сошли на нет даже у себя на родине.
  • Активные солнечные системы отопления частного дома обходятся весьма недёшево, немало денег придётся отдать за оборудование. Эксплуатация, вопреки некоторым утверждениям, отнюдь не бесплатна: расходуется электроэнергия, требуется обслуживание техники. При нынешних ценах, по сравнению не только с дешёвым природным газом, но даже с довольно дорогими пеллетами, дизтопливом, установка вакуумного солнечного коллектора на подавляющей части территории РФ не окупится вообще никогда, срок окупаемости превышает срок службы оборудования. Лишь в некоторых южных регионах страны солнечные системы отопления частного дома могут быть не убыточны при определённых условиях.

Научная станция на острове Ольхон (Россия).

Применение вакуумных коллекторов (справа на крыше) для приготовления горячей воды и гелиопанелей (слева) для выработки электроэнергии имеет смысл, ведь центральных коммуникаций на этом скалистом байкальском острове нет.

Однако для полноценного отопления в климате Бурятии солнечных систем недостаточно, греют дом «нормальные» печи, топливо для которых завозят с «большой земли», ведь изводить местный лес на дрова нельзя

Как обстоят дела в Европе

Почему же, путешествия по Западной Европе, мы видим (хотя, не так уж и часто) гелиоколлекторы на крышах домов? Причин тому несколько: дороговизна традиционных видов топлива, мягкий климат, большее количество солнечных дней. Не случайно в пасмурной Британии солнечное отопление так же мало распространено, как и у нас.

И, главное, в тех странах, где система солнечного отопления — практическая реальность, действуют программы поддержки, до половины стоимости оборудования оплачивает государство.

Положа руку на сердце, солнечные коллекторы малопригодны для отопления, в основном их используют для приготовления горячей воды, в солнечную погоду летом реально полностью обеспечивать нужды ГВС. Кстати, в основном на крышах домов можно увидеть солнечные панели, вырабатывающие электричество.

Электроэнергию производить выгоднее, а неравномерность генерации — не проблема, ведь в любое время суток центральные энергосети покупают электроэнергию, полученную в частном доме. Причём, оплата идёт по повышенному тарифу. Опять-таки, оборудование почти не требует обслуживания и ремонта.

Сегодня можно смело утверждать, что в глобальном масштабе у гелиоэнергетики, хоть она пока и не конкурент традиционной — большое будущее. А вот насчёт перспектив солнечного отопления ситуация неясна. Существующие системы уже исчерпали свой потенциал, новых подходов пока не видно, а стоимость традиционного топлива падает, что снижает привлекательность солярных систем обогрева.

«Солнечные крыши» Баварии. Все панели, которые мы видим на фото — электрические, солнечное отопление рациональные немцы не считают особо выгодным даже при условии, что государство берёт на себя половину расходов по установке гелиосистем

Тем читателям, кого тема использования энергии солнца для жизнеобеспечения дома живо заинтересовала, рекомендуем критически воспринимать рекламные материалы и обращаться к профессионалам-практикам, желательно имеющими опыт установки и эксплуатации гелиоустановок.

Стена Тромба в доме — как использовать пассивное солнечное тепло?

Пассивные и активные солнечные системы отопления

В данной публикации мы рассмотрим такое понятие как пассивное солнечное тепло, в частности солнечная стена Тромба.

Применение солнечной стены Тромба — конструкция, советы по реализации

С каждым годом все более становится актуальным применения современных альтернативных источников энергии, которые преобразуют энергию солнечного излучения и наружного воздуха в теплоту. В зависимости от метода получения энергии или теплоты разделяют две системы:

Пассивные системы солнечноготеплоснабжения основаны на использовании естественной циркуляции нагретого воздуха, фото 1а.

Активные системы солнечного теплоснабжения работают на комбинированном использовании пассивной системы солнечного теплоснабжения и дополнительных источников энергии, фото 1б.

Фото 1. Пассивные системы солнечного теплоснабжения (а) и активная солнечная система теплоснабжения (один из вариантов): 1 – солнечный коллектор; 2 – бак-аккумулятор; 3 – насос; 4 – электрический подогреватель

К пассивной системе солнечного теплоснабжения относится солнечная стена Тромба.

Что такое солнечная стена Тромба?

Солнечная стена Тромба — это массивная каменная конструкция, которая устанавливается на южной стороне здания за фасадным стекольным ограждением. Эта стена может быть покрыта селективно-поглощающей фольгой или покрашена в черный цвет, фото 2.

Стену Тромба разработал Эдвард Морзе в 1881 г., а французский профессор Феликс Тромб возродил эту идею в 1960 году.

Такое устройство стены позволяет собирать и накапливать в себе солнечную энергию за весь солнечный день, а потом это тепло отдавать помещению через определенное время (обычно время отдачи выпадает на ночь).

В зависимости от толщины стены Тромба обеспечивается более длительная задержка в отдачи тепла помещению:

  • при толщине стены 20 см – задержка происходит примерно на 5 ч;
  • при толщине стены 40 см – задержка происходит примерно на 10…12 ч.

Стена Тромба может быть нет только бетонной, но и каменной или кирпичной. Чтобы улучшить теплоотдачу стены создаются специальные отверстия внизу и сверху стены для обеспечения естественной конвекции воздуха, а для более эффективной теплоотдачи устанавливают вентиляторы, для принудительной циркуляции.

Фото 2. Схемы устройства пассивной системы солнечного теплоснабжения (усовершенствованный вариант) с применением стены Тромба: а)-б) работа в зимний период; в)-г) работа в летний период

На фото 2 показано наличие специальных штор и воздушных клапанов (вверху и внизу), которые сокращают теплообмен между массивной стеной и внешней окружающей средой в нужное для того время. Специальные шторы должны быть изготовлены из нетканых тканей и покрыты серебром.

На фото 3 приведены примеры использование стены Тромба в строительстве пассивного дома.

Фото 3. Примеры зданий с использованием стены Тромба

Солнечные лучи проходя через стеклопакет и попадают на бетонную стену, которая устанавливается на расстоянии 100 мм от стеклопакета. Ультрафиолетовые лучи от солнца попадая на поверхность стены нагревают ее, и часть лучей отражаются от стены в виде инфракрасного излучение, которое не проходит сквозь стекла, нагревая, таким образом, еще и воздух.

Рассмотрим кратко режимы работы пассивной системы солнечного теплоснабжения с использованием стены Тромба, табл. 1.

Таблица 1

Режимы работы пассивной системы солнечного теплоснабжения с использованием стены Тромба

Период годаРежим работыПоложение устройствОписание процессов отопления
Зимний период (отопление)1. Солнечный деньШтора поднята, клапаны открыты, фото 2а.Нагревается стены Тромба через стеклянную перегородку и нагревает воздух, находящегося в прослойке между стеклянной перегородкой и стеной. Теплота поступает в помещение от нагретой стены и нагретого в прослойке воздуха, циркулирующего через прослойку и помещение под воздействием гравитационных сил, вызванных разностью плотностей воздуха при разных температурах (естественная циркуляция).
2. Ночь, вечер или пасмурный день.Штора опущена, клапаны закрыты, фото 2б.Теплооттоки во внешнюю среду значительно сокращаются. Температура в помещении поддерживается за счет поступления теплоты от массивной стены, накопившей эту теплоту от солнечного излучения.
Летний период (охлаждение)1. Солнечный деньШтора опущена, нижние клапаны открыты, верхние – закрыты, фото 2в.Штора предохраняет нагрев массивной стены от солнечного излучения. Наружный воздух поступает в помещение с затененной стороны дома и выходит через прослойку между стеклянной перегородкой и стеной в окружающую среду.
2. Ночь, вечер или пасмурный день.Штора поднята, нижние клапаны открыты, верхние – закрыты, фото 2г.Наружный воздух поступает в помещение с противоположной стороны дома и выходит в окружающую среду через прослойку между стеклянной перегородкой и массивной стеной. Стена охлаждается в результате конвективного теплообмена с воздухом, проходящим через прослойку, и за счет оттока теплоты излучением в окружающую среду. Охлажденная стена в дневное время поддерживает необходимый температурный режим в помещении.

Рекомендации по строительству пассивного дома со стеной Тромба

  1. Ориентировать дом следует на юг, т.е. стена Тромба должна находиться на южном фасаде дома. Допускается поворачивать дом относительно юга на запад или восток в пределах 30°, что конечно немного снизит эффективность применения стены Тромба, фото 4.

Фото 4. Ориентация пассивного солнечного дома на юг с применением стены Тромба

  1. В стене Тромба можно устраивать смотровые полноценные окна.
  2. Стену Тромба можно применять при проектировании двухэтажных домов, однако при этом энергия теплоты будет более распространяться на верхний этаж, т.е. на нижнем этаже будет более прохладно, а на верхнем — более тепло.

Поэтому при проектировании дома, в частности его планировке следует эту особенность учесть, и расположить на втором этаже такие помещения, в которых обитатели дома будут больше проводить время: а это может быть:

  • кухня;
  • гостиная;
  • игровая комната;
  • личный кабинет.

На первом этаже можно расположить спальни, подсобные помещения – кладовки и гардеробные.

  1. Расположение стены под углом 10…20° к поверхности повысит эффективность устройства.
  2. При расположении дома на участке следует учитывать следующие факторы:
  • особенности ландшафта;
  • наличие соседних построек;
  • наличие деревьев.
  1. Как уже выше отмечалось, что вместо темного окрашивания стены можно наклеить селективное покрытие, которое более эффективно поглощает солнечные лучи (эффективность достигает 90% по сравнению с 60% для окрашенной стены). Селективное покрытие представляет собой тонкий лист медной фольги, на который наносится слой хрома и слой окиси меди черного цвета, для которого свойственна высокая поглощающая способность солнечного света.
  2. В зависимости от покрытия стены Тромба применяется разное ограждающее остекление:
  • селективное покрытие – однослойное остекление стены;
  • окрашенная поверхность – двойное остекление стены.
  1. Оптимальная толщина стены Тромба составляет 30 см, но в зависимости от материала из которого сделана стена, толщину можно принимать в соответствии с данными в табл. 2.

Таблица 2

Допустимая толщина стены Тромба в зависимости от материала

МатериалПлотность, г/см3Толщина, м
Бетон2,20,2…0,6
Бетонный блок2,11,18…0,46
Глиняный кирпич1,90,18…0,41
Пустотный бетонный блок1,80,15…0,3
Кирпич-сырец1,60,15…0,3
  1. Если дом проектируется в холодной климатической зоне, где средняя температура зимой составляет -1…-7°С тогда следует принимать:
  • двойное остекление;
  • стену выполнять из камня с площадью наружной поверхности в пределах 40…100% от площади пола жилого помещения.
  1. Если дом проектируется в умеренной климатической зоне, где средняя температура зимой составляет +2…+7°С тогда следует принимать:
  • двойное или одинарное остекление;
  • стену выполнять из камня с площадью наружной поверхности в пределах 20…70% от площади пола жилого помещения.

Преимущества пассивных солнечных систем теплоснабжения с применением стены Тромба:

  1. Относительно низкая стоимость устройства.
  2. Конструкция простая в обслуживании.
  3. Долговечность и надежность конструкции.

Недостатки пассивных солнечных систем теплоснабжения с применением стены Тромба:

  1. Точность расчетов невысокая, поэтому данной системы теплоснабжения может быть не достаточно для полного обогрева здания.

В Черниговской области (Украина) был построен в 2005 г. двухэтажный дом из соломы с применением стены Тромба, фото 5. Толщина стен составляет 0,46…0,5 м.

Применение стены Тромба позволило владельцам такого дома сократить на 40% расходы на отопление, а на кондиционирование на 100%. В зимнее время основным источником тепла является печь, а ранней весной и поздней осенью – стена Тромба.

Тепло от стены Тромба поступает в помещения через специальные отверстия – воздуховоды.

Фото 5. Дом из соломы с применением стены Тромба

Автор публикации – эксперт GIDproekt

Конев Александр Анатольевич

Первые пассивные и активные «солнечные» дома

Пассивные и активные солнечные системы отопления

Повторно, эффект открытый деСоссюром, привел к новой вехе в области солнечной энергетики в начале ХХ века.

При возведении известного, полностью остекленного, “дома будущего” (House of the Future), спроектированного специально для Выставки Достижений, проходившей в 1933 году в Чикаго, архитектор и дизайнер Джордж Кекк обнаружил, что рабочие внутри дома, невзирая на то, что за окном была зима, а обогреватели выключены, вынужденны работать в майках. Данное наблюдение послужило толчком к разработке так называемых пассивных солнечных домов.

Джордж Ф. Кекк является дизайнером-пионером в области пассивных солнечных домов 1930-40-х годов. Согласно сделанному наблюдению, Кекк стал использовать преобладающее остекление южного фасада зданий, которые проектировал для своих клиентов. Так, в 1940 году, Кекк спроектировал пассивный солнечный дом для застройщика Говарда Слоана (Hovard Sloan) из Гленвью, штат Иллинойс.

Именно относительно дома Г. Слоана газетой Чикаго Трибьюн (Chicago Tribune) было введено в оборот, ставшее нарицательным, название “солнечный дом”. Это название используется до сих пор для обозначения домов с частичным или полным отоплением энергией солнца.

По сделанному проекту Слоан построил ряд пассивных солнечных домов, тем самым вызвав, так называемое, переселение в солнечные дома 1940-х годов.

Что такое пассивный «солнечный» дом

Пассивным называют солнечный дом, не имеющий специальных “активных” механизмов для использования солнечной энергии (рис. 3).

рис. 3.

Пять основных элементов, характеризующих солнечный пассивный дом: южное остекление, козырек от летнего солнца, свободная планировка для упрощения движения теплого воздуха, хорошо поглощающее солнечную энергию напольное/стеновое покрытие из натурального материала (терракот, керам. плитка, бетон) толстого слоя для накопления энергии на ночь.

Обогрев помещений осуществляется исключительно за счет ряда архитектурных приемов, таких как преобладающее южное и отсутствующее северное остекление здания, планировка, обеспечивающая свободное движения воздуха в помещении, накопление тепловой энергии в толще архитектурных конструкций.

Здесь необходимо отметить, что на данный момент, в среднем по Европе, энергетические расходы на отопление составляют более 40% и, таким образом, являются наиболее затратной областью энергопотребления.

Поэтому, применение энергосберегающих и альтернативных технологий в данной области играет значительную роль в снижении коммунальных платежей индивидуального хозяйства, а также снижении экологической нагрузки на окружающую среду, вследствие уменьшения выбросов углекислого газа в атмосферу в результате снижения количества сжигаемого ископаемого топлива. Экономия за счет установки высокоэффективных солнечных систем теплогенерации может составлять более трети энергетических затрат.

Ниже приведен список “солнечных” строений, имеющих международное значение, отображающие развитие инженерной мысли в области солнечной архитектуры:

• Солнечный дом №1 Массачусетского технологического института, Массачусетс, США (дизайнер Hoyt C. Hottel и другие, 1939)  

• Солнечный дом Слоана, Гленвью, Иллинойс, США (George Fred Keck, 1940)  

• Дом Якобса (Jacobs) ІІ “Solar Hemicycle”, под Мэдисоном, Висконсин, США (Frank Lloyd Wright, 1944)  

• Дом Льофа (Löf), Boulder, Колорадо, США (George Löf, 1945)  

• Дом Розенберга (Rosenberg), Тусон, Аризона, США (Arthur T. Brown, 1946)  

• Солнечный дом №2 Массачусетского технологического института, США (Hoyt C. Hottel и др., 1947)  

• Дом Пибоди (Dover Sun House, Солнечный дом №6 Масс. тех. ин-та), Довер, Массачусетс, США (Eleanor Raymond и Maria Telkes, 1948)  

• Дом Генри Гласса (Henry P. Glass), Нортфилд, Иллинойс, США (Henry P. Glass 1948)  

• Школа Роз Элементари (Rose Elementary School), Тусон, Аризона, США (Arthur T. Brown, 1948)  

• Солнечный дом №3 Массачусетского технологического института, США (Hoyt C. Hottel и др., 1949)  

• Здание Национального колледжа в Нью Мексико, Нью Мексико, США (Lawrence Gardenhire, 1953)  

• Солнечный дом Лефевра (Lefever), Пенсильвания, США (HR Lefever, 1954)  

• Дом Мечты (Bliss House), Амадо, Аризона, США (Raymond W. Bliss и M. K. Donavan, 1954)  

• Солнечное здание (Solar Building), Альбукерке, Нью Мексико, США (Frank Bridgers и Don Paxton, 1956)  

• Здание Университета в Торонто, Торонто, Канада (EA Allcut, 1956)  

• Солнечный дом, Токио, Япония (Masanosuke Yanagimachi, 1956)  

• Солнечный дом, Бристоль, Объединенное Королевство (L Gardner, 1956)  

• Дом Кертиса (Curtis), Рикмансворт (Rickmansworth), Объединенное Королевство (Edward JW Curtis, 1956)  

• Дом Льофа, Денвер, Колорадо, США (James M. Hunter и George Löf, 1957)  

• Дом “ЖитьсСолнцем” (AFASE “Living With the Sun” House), Феникс, Аризона, США (Peter Lee, Robert L. Bliss и John Yellott, 1958)  

• Солнечный дом Массачусетского технологического института №4, США (Hoyt C. Hottel и др., 1958)  

• Солнечный дом, Касабланка, Морокко (CM Shaw & Associates, 1958)  

• Солнечный дом, Нагоя, Япония (Masanosuke Yanagimachi, 1958)  

• Солнечный корт (Curtiss-Wright “Sun Court”), Принстон, НьюДжерси, США (Maria Telkes и Aladar Olgyay, 1958)  

• Солнечный дом Томасона “Солярис” №1, округ Вашингтон, США (Harry Thomason, 1959)  

• Пассивный солнечный дом, Одеилло (Odeillo), Франция (Félix Trombe & Jacques Michel, 1967)  

• Дом Стива Баера (Steve Baer), Корралес, Нью Мексико, США (Steve Baer, 1971)  

• Скайтерм хаус (Skytherm House), Атаскадеро (Atascadero), Калифорния, США (Harold R. Hay, 1973)  

• Солар Ван (Solar One), НьюАрк, Делавер, США (K.W. Böer и Maria Telkes, 1973)  

• Первый прототип дома с нулевым энергопотреблением госдепартамента энергетики США (First Zero Energy Design U.S. Department Of Energy supported home), 1979  

• Дом Сондерса в Шрусбери, Массачусетс, США (Norman B. Saunders,1981)  

• IEA Task 13 Solar Low Energy Buildings (группаархитекторов, 1989)  

• Пассивный дом в Дармштадте, Германия (Bott, Ridder и Westermeyer, 1990)  

• Гелиотроп (Heliotrope) – первое в мире здание “ПлюсЭнерджи” (PlusEnergy building) – здание, производящее больше энергии, нежели необходимо для его эксплуатации (Rolf Disch, 1994)  

• Школа The Druk White Lotus вЛадакх, Индия (World Architecture Awards, 2002)  

• ПроектТэннери – первоесетевоекоммерческоезданиеснулевымпотреблениемэлектроэнергии (Tannery Project – First Net Zero Electric Commercial Building) вСоединенныхштатахАмерики (группаархитекторов, 2006)  

• Солнечный корабль (Sun Ship), первое в мире коммерческое здание типа ПлюсЭнерджи – производящее больше энергии, нежели требуется для его эксплуатации. (Rolf Disch, 2006)  

Решения для пассивного солнечного обогрева

Как уже указывалось выше – пассивный солнечный дом является комплексом чисто архитектурных инженерных решений, направленных на максимальное задержание солнечной энергии внутри помещения, т.е. косвенное использование солнечной энергии для нагрева.

Рассмотрим ряд таких решений (рис. 4). В первую очередь – уже упомянутое приоритетно южное остекление дома, приводящее к увеличению потока солнечной энергии, которая поступает в помещение. Пристраивание к южному фасаду здания теплицы, которая воздушно связана с жилыми помещениями, для обеспечения свободной циркуляции нагретого воздуха в здание.

рис. 4. Обогрев дома за счет увеличения проникновения солнечного света в помещение, за счет пристроенной теплицы и за счет стены Тромба.

Следующим инженерным решением стало запасание тепловой энергии в массиве архитектурных конструкций – увеличение массива освещаемой и нагреваемой солнцем стены (или пола).

Понятным является факт, что большая масса, например, бетонной стены, сможет накопить большее количество тепловой энергии, избыток которой сможет отдать в помещение ночью.

Стена Тромба (названная так в честь ее изобретателя) – массивная каменная (бетон, кирпич) фасадная стена, обращенная на юг, застекленная и окрашенная в селективный, к поглощению солнечных лучей, черный цвет.

За солнечный день такая стена нагревается от солнечных лучей, а в ночное время – постепенно отдает накопленное тепло внутрь дома. Часто снабжается в нижней и верхней части воздуховодами. Данные воздуховоды (см. рис. 4) служат для поступления прохладного воздуха из помещения (расположены в нижней части стены) в пространство между стеной и стеклом, и теплого воздуха обратно в помещение (верхние каналы).

Активные системы солнечного обогрева

Кроме пассивных, разработаны также активные системы солнечного обогрева зданий, которые состоят из воздушных солнечных коллекторов, системы воздуховодов (вентиляционных каналов) и теплоаккумулятора, а также часто комплектуются встроенным в систему запасным источником тепла (газовый, дровяной, электрический) и системой управления (рис. 5).

Несмотря на кажущуюся примитивность такие решения нашли широкое применение как в частном, так и в коммерческом строительстве, а также строительстве муниципальных учреждений в США, Западной Европе и по всему миру, которые эксплуатируются вплоть до настоящего времени (см.

список «солнечных» строений, выше) принося своим пользователям удовлетворение за счет снижения затрат на отопление, а также за счет осознания того факта, что пользователь внес свой вклад в глобальное улучшение экологического состояния окружающей среды — значительно снизив количество углекислого газа, производимого данным хозяйством.

рис. 5. Солнечный дом с активной системой воздушного солнечного обогрева.

В таких зданиях, прохладный воздух из помещения, по системе воздуховодов, с помощью вентиляторов нагнетается в солнечный коллектор, который представляет собой застекленный ящик с адсорбером (поглотителем), выкрашенным в черный цвет.

Нагретый на солнце адсорбер нагревает соприкасающийся с ним воздух. Далее, система контроля (если имеется) решает: направить нагретый воздух сразу в помещение – для немедленного использования, либо в теплоаккумулятор – для накопления.

Отдавший свое тепло помещению или теплоаккумулятору, значительно остывший, воздух направляется в солнечный коллектор для повторного нагрева, – рабочий цикл повторяется.

Самой распространенной конструкцией теплоаккумулятора, в воздушных системах солнечного отопления, является хранилище, заполненное гранитными камнями так, чтобы проходящий нагретый воздух максимально с ними соприкасался – для передачи своего тепла массе камней.

В период энергетического кризиса 1970-х в США популярны были упрощенные системы солнечного воздушного отопления, пристраиваемые к окнам — которые выпускались серийно или создавались владельцами самостоятельно. В таких системах отсутствует теплоаккумулятор (рис. 6).

рис. 6. Солнечный воздушный коллектор простой конструкции. Воздуховоды коллектора вводятся в помещение через окно.

Следует еще раз отметить, что системы воздушного солнечного обогрева хорошо себя зарекомендовали во время энергетического кризиса в США в 1970-х годах.

Существуют солнечные дома, которые до сих пор находятся в рабочем состоянии, без каких либо существенных поломок за весь период эксплуатации.

Для примера, солнечная воздушная система (в США существовало множество фирм, которые предлагали разработку и инсталляцию подобных систем в середине 70-х) успешно эксплуатируемая более двадцати пяти лет (http://www.builditsolar.com/Projects/SpaceHeating/360SFAir/360SFAir.

htm), а также передовая, в свое время, разработка – дом Льофа, который был спроектирован и успешно эксплуатировался хозяином с момента возведения в 1945 году, вплоть до смерти Льофа в 2009 году (http://solarhousehistory.com/blog/2013/6/23/george-lf-house-1956-2013).

Читать далее: Развитие современной солнечной энергетики >>

Солнечная система теплоснабжения

Пассивные и активные солнечные системы отопления

Солнечное теплоснабжение – способ отопления жилого дома, который с каждым днем становится все более популярным во многих, в основном развитых, государствах мира.

Наибольшими успехами в области солнечной тепловой энергетики на сегодняшний день могут похвастаться в странах западной и центральной Европы.

На территории Евросоюза на протяжении последнего десятилетия наблюдается ежегодный рост отрасли возобновляемой энергетики на 10–12%. Такой уровень развития – это очень существенный показатель.

Солнечный коллектор

Одна из наиболее очевидных областей применения солнечной энергетики – это ее использование в целях подогрева воды и воздуха (как теплоносителей).

В климатических областях, где преобладает холодная погода, для комфортного проживания людей обязательны расчет и организация систем отопления каждого жилого дома.

В них должно присутствовать горячее водоснабжение для различных нужд, к тому же дома необходимо отапливать. Конечно, лучшим вариантом здесь будет применение схемы, где работают автоматизированные системы теплоснабжения.

Больших объемов ежедневного поступления горячей воды в процессе производства требуют промышленные предприятия.

В качестве примера можно привести Австралию, где на подогрев жидкого теплоносителя до температуры, не превышающей 100oC, затрачивается практически 20 процентов всей расходуемой энергии.

По этой причине в части развитых стран запада, а в большей мере в Израиле, Северной Америке, Японии и, конечно же, в Австралии, очень быстро происходит расширение производства солнечных отопительных систем.

Солнечная электростанция

В ближайшем будущем развитие энергетики, несомненно, будет направлено в пользу использования солнечного излучения. Плотность солнечной радиации на земной поверхности составляет в среднем 250 Вт на один метр квадратный. И это притом, что для обеспечения хозяйственных нужд человека в наименее индустриальных районах достаточно двух Ватт на квадратный метр.

Выгодное отличие солнечной энергии от других отраслей энергетики, использующих процессы сжигания ископаемого топлива, это экологичность получаемой энергии. Работа солнечного оборудования не влечет за собой выделения вредных выбросов в атмосферу.

Выбор схемы применения оборудования, пассивные и активные системы

Существует две схемы использования солнечного излучения в качестве системы отопления для дома. Это активные и пассивные системы.

Пассивные системы отопления на солнечной радиации – те, в которых элементом, непосредственно абсорбирующим солнечную радиацию и образующим из нее теплоту, служит сама конструкция дома либо его отдельные части.

Этими элементами могут служить забор, кровля, отдельные части здания, построенные на основе определенной схемы. В пассивных системах не используются механические движущиеся части.

Активная система теплоснабжения

Активные системы работают на основе противоположной схемы отопления дома, в них активно используются механические устройства (насосы, двигатели, при их использовании также производят расчет необходимой мощности).

Наиболее простыми по своей конструкции и менее затратными в финансовом плане при монтаже схемы являются системы пассивного действия.

Такие схемы отопления не нуждаются в установке дополнительных устройств для абсорбции и последующего распределения солнечного излучения в системе отопления дома.

Работа таких систем основана на принципе прямого обогрева жилого помещения прямо через пропускающие свет стены, расположенные на южной стороне. Дополнительную функцию обогрева осуществляют внешние поверхности элементов ограждения дома, которые оборудуются слоем прозрачных экранов.

Для запуска процесса преобразования солнечной радиации в тепловую энергию применяют систему конструкций, основанную на использовании гелиоприёмников с прозрачной поверхностью, где основную функцию играет «парниковый эффект», используются возможности стекла удерживать тепловое излучение, благодаря чему и повышают температуру внутри помещения.

Стоит отметить, что применение только одного из видов систем может быть не совсем оправдано. Зачастую тщательный расчет показывает, что добиться значительного снижения потерь тепла и уменьшения потребностей здания в энергии можно путем применения интегрированных систем. Общая работа и активной, и пассивной системы путем сочетания положительных качеств даст максимальный эффект.

Солнечное отопление

Обычно проводимый расчет эффективности показывает, что пассивное использование излучения солнца обеспечит потребности вашего дома в отоплении приблизительно на 14–16 процентов. Такая система будет важной составляющей процесса получения тепла.

Однако, невзирая на определенные положительные качества пассивных систем, основные возможности для полного обеспечения потребностей здания в тепле все-таки необходимо применение активного отопительного оборудования. Системы, функцией которых является непосредственно поглощение, аккумуляция и распределение солнечной радиации.

Планирование и расчет

Произвести расчет возможности монтажа активных отопительных систем, использующих солнечную энергию (кристаллические солнечные фотоэлементы, солнечные коллекторы), желательно на стадии проектирования здания. Но все же этот момент не носит обязательного характера, установка такой системы возможна и на уже существующее задание независимо от года его постройки (основа для успеха – правильный расчет всей схемы).

Солнечные элементы на крыше

Монтаж оборудования осуществляют на южную сторону дома. Такое расположение создает условия для максимального поглощения поступающей солнечной радиации зимой.

Фотоэлементы, преобразующие энергию солнца и установленные на неподвижную конструкцию, наиболее эффективны при их монтаже относительно поверхности земли под углом равным географической локации отапливаемого здания.

Угол наклона крыши, градус поворота дома к югу – это значимые моменты, которые в обязательном порядке надо учитывать, производя расчет всей схемы отопления.

Солнечные фотоэлементы и коллекторы на солнечном излучении необходимо устанавливать максимально близко к месту энергопотребления.

Помните, что чем ближе вы построите ванную и кухню, тем меньше будут потери тепла (в таком варианте можно обойтись и одним солнечным коллектором, который будет обогревать оба помещения).

Основным критерием оценки при подборе необходимого вам оборудования является его коэффициент полезного действия.

Отопительные солнечные системы активного действия, делятся на следующие группы по следующим критериям:

  1. Применение дублирующего контура;
  2. Сезонность работы (на протяжении всего года или в определенный сезон);
  3. Функционального назначения – отопительные, снабжение горячей водой и комбинированные системы;
  4. Применяемый теплоноситель – жидкость или воздух;
  5. Примененное техническое решение количества контуров (1, 2 или более).

Общие экономические данные будут служить основным фактором выбора в пользу одного из типов оборудования. Правильно определиться вам поможет грамотный тепловой расчет всей системы.

Расчет необходимо выполнять, учитывая показатели каждого конкретного помещения, где намечена организация солнечного отопления и (или) горячего водоснабжения. Стоит учитывать месторасположение строения, климатические природные условия, размер стоимости вытесняемого энергетического ресурса.

Правильный расчет и удачный выбор схемы организации теплоснабжения – залог экономической целесообразности применения оборудования солнечной энергетики.

Солнечная система теплоснабжения

Самой распространенной из используемых схем отопления является установка солнечных коллекторов, в которых предусмотрена функция накопления абсорбированной энергии в специальной емкости – аккумуляторе.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили двухконтурные схемы отопления жилых помещений, в которых установлена принудительная система циркуляции теплоносителя в коллекторе. Принцип его работы следующий.

Подача горячей воды осуществляется из верхней точки накопительного бака, процесс происходит автоматически согласно законам физики.

Холодная проточная вода напором подается в нижнюю часть бака, эта вода вытесняет собирающуюся в верхней части бака нагретую, которая далее поступает в систему горячего водоснабжения дома для удовлетворения его хозяйственных нужд и нужд отопления.

Для односемейного дома обычно устанавливают бак накопитель вместимостью от 400 до 800 литров. Для разогрева теплового носителя таких объемов в зависимости от природных условий требуется правильно рассчитать площадь поверхности солнечного коллектора. Также необходимо обосновать использование оборудование экономически.

Стандартный набор оборудования для монтажа отопительной системы на солнечном излучении следующий:

  • Непосредственно сам солнечный коллектор;
  • Крепежная система (опоры, балки, держатели);
  • Накопительный бак;
  • Бак компенсирующих избыточное расширение теплового носителя;
  • Устройство контроля работы насоса;
  • Насос (комплектом клапанов);
  • Температурные датчики;
  • Теплообменные устройства (применяют в схемах с большими объемами);
  • Теплоизолированные трубы;
  • Предохранительная и регулирующая арматура;
  • Фитинги.

Система на основе теплопоглощающих панелей. Такие панели, как правило, применяют на этапе нового строительства. Для их монтажа необходимо построить специальную конструкцию, называемую горячей крышей.

Это означает, что панели необходимо вмонтировать непосредственно в конструкцию крыши, при этом используя элементы кровли в качестве составных элементов корпуса оборудования.

Такая установка снизит ваши затраты на создание системы отопления, однако потребует высококачественной работы по гидроизоляции стыков устройств и кровли. Такой способ установки оборудования потребует от вас тщательного проектирования и планирования всех этапов работы.

Надо решить много задач по разводке труб, размещению накопительного бака, установке насоса, регулировке уклонов. Достаточно много проблем при монтаже придется решить в случае, если здание не самым удачным образом повернуто к югу.

В целом проект солнечных систем отопления будет отличным от других в той или иной степени. Неизменными останутся только базовые принципы системы. Поэтому привести точный перечень необходимых деталей для полного монтажа всей системы невозможно, так как в процессе установки может возникнуть необходимость применения дополнительных элементов и материалов.

Жидкостные отопительные системы

В системах, работающих на основе жидкого теплоносителя, в качестве аккумулирующего вещества применяют обычную воду. Абсорбция энергии происходит в солнечных коллекторах плоской конструкции. Энергия аккумулируется в баке накопителе и расходуется по мере возникновения надобности.

Для передачи энергии от накопителя в здание применяют водо-водяной или водовоздушный теплообменник. Система горячего водообеспечения оборудована дополнительным баком, который называют баком предварительного нагрева. Вода нагревается в нем за счет солнечного излучения и далее поступает в обычный водонагреватель.

Воздушная отопительная система

Воздушная система обогрева

Такая система в качестве носителя тепла использует воздух.

Разогревание теплоносителя осуществляется в плоском солнечном коллекторе, а далее нагретый воздух попадает в отапливаемое помещение либо в специальный накопительный прибор, где абсорбированная энергия накапливается в специальной насадке, которая обогревается поступающим горячим воздухом. Благодаря этой особенности система продолжает снабжать дом теплом даже ночью, когда солнечное излучение не доступно.

Системы с принудительной и естественной циркуляцией

К этой категории технологий можно отнести системы, работающие на основе естественной и принудительной циркуляции носителя энергии.

Основа работы систем с естественной циркуляцией состоит в самостоятельном движении теплоносителя. Под воздействием повышающейся температуры он теряет плотность и поэтому стремиться в верхнюю часть устройства. Возникающая разница в величине давлений и заставляет функционировать оборудование.

Система с принудительной циркуляцией

Оборудование с принудительной системой циркуляции включает в свою конструкцию маломощный насос, который контролирует циркуляцию теплоносителя по всему контуру. Работа такого насоса контролируется электроникой. Энергопотребление такого насоса незначительно в сравнении с объемами выработки тепла всей системой.

Выводы

Солнечная энергостанция

Выводы напрашиваются сами собой, солнечная энергия действительно уникальное явление, она не только является одной из основ жизни на земле, но также дарит всему живому свет и тепло, а для человека в современно мире способна служить еще и неисчерпаемым источником энергии.

Недалека перспектива отказа человечества от использования ископаемого топлива (нефти, угля, газа) в пользу возобновляемых источников энергии. Одним из основных способов получения возобновляемого тепла и электричества в будущем будет преобразование солнечного излучения.

Повсеместное внедрение в жизнь человека возобновляемой энергетики даст толчок развитию новых отраслей в науке и производстве и окажет значительное влияние на качество жизни на планете в сторону ее улучшения.

П. Морозов

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.