Солнечный дом

Котлярова М. Солнечный дом // Ватерпас. 2001. №1-2. C.122-125

За последние 10 лет значительно изменилось положение с энергообеспечением населения в Украине. Длительное время наша страна пользовалась дешевым углем, нефтью и газом, которые поступали из Сибири, а развитие местных источников энергии, экономия энергии не стимулировались экономическими методами. В 90-х годах цены на традиционные энергоресурсы возросли до мирового уровня. Расходы энергии в мире удваиваются каждые 15 лет, но природные источники себя исчерпывают. Все дороже обходится разведка и разработка новых месторождений. Развитие ядерной энергетики ограничивается запасами урана, безопасностью реакторов и проблемой захоронения отходов. Это, с одной стороны, усиливает энергетический кризис в стране, а с другой, стимулирует применение местных ?нетрадиционных? источников энергии в быту. В большинстве случаев это возобновляемые источники энергии: солнечная, ветровая, применяемые в комплексе с мероприятиями по энергосбережению, что ведет к снижению затрат на традиционное отопление.

Так, увеличение тепловой зашиты дома путем повышения термического сопротивления наружных ограждающих конструкций на 10% ведет к экономии энергии для отопления на 2-4 %, использование раздельных оконных рам вместо спаренных дает экономию энергии 3%, использование окон с теплозащитным стеклом дает экономию 3-5%, создание теплых чердаков и двойных тамбуров экономит 3-5% энергии на отопление, использование многослойных наружных стен с эффективным утеплителем снижает теплозатраты до 30%, трехслойное остекление окон ? до 46%.

Экономия тепловой энергии при горячем водоснабжении за счет использования смесителей с регуляторами температуры ? 3%, при организации учета затрат горячей воды ? до 5%, при утилизации тепла стоков ? 6-9%.

Экономия тепловой энергии в системах вентиляции и кондиционирования воздуха путем автоматического регулирования температуры приточного воздуха составляет 10%, путем утилизации тепла вытяжного воздуха ? 5-10 % от затрат тепла на подогрев приточного воздуха.

Возможна экономия топлива за счет использования вторичных энергоресурсов и новых альтернативных источников энергии, таких как солнечные пассивные системы отопления на основе архитектурно-планировочных и технических решений, или таких, как гелиоустановки в системах отопления, которые называются активными системами.

В пассивных гелиоустановках происходит прямая подача лучей в теплопотребляющие объекты без регулирования. При этом решения наиболее простые и дешевые, но тепло-подача неравномерная и с неполным использованием. К этим системам относятся парники и теплицы, зачерненные баки-резервуары для подогрева воды летом, застекленные веранды и лоджии, а также зимние сады, прозрачная конструкция которых представляет собой ?тепловую ловушку? и дает дополнительную жилую площадь для размещения зелени, уголка отдыха или бассейна.

В доме с пассивной системой солнечного обогрева применяют специальные архитектурно-планировочные решения: для уменьшения теплозатрат северную сторону делают минимальной высоты, без оконных проемов, с двойными тамбурами. Южную сторону делают максимальной высоты и полностью застекленной. Предусматривают усиленную теплоизоляцию. Для уменьшения неравномерности поступления солнечного тепла часть застекленной поверхности используют для естественного освещения, остальное ? для нагрева зачерненных стеновых панелей, которые находятся за стеклом с небольшим промежутком ( 8-10 см). За счет циркуляции воздуха происходит отведение тепла от стеновых панелей и дополнительный нагрев воздуха в помещении. При ориентации остекленного зимнего сада по сторонам горизонта восток-запад для остекления лучше применять 3-слойное теплоизоляционное стекло, при южной ориентации остекленной комнаты потребуются солнцезащитные приспособления, такие как жалюзи, маркизы, экраны, не допускающие перегрева помещения в летний полдень, а также система проветривания помещения.

Применение пассивных систем отопления дает экономию 30-40 % от общих затрат тепла на традиционное отопление дома.

В активных системах солнечные лучи поступают в гелиоприемник ? солнечный коллектор, где их энергия преобразуется в тепловую, с расчетными параметрами. Отсюда тепловая энергия подается теплоносителем, циркулирующим в системе с помощью помпы или по принципу естественной циркуляции. Простейший солнечный коллектор ? это корпус в виде плоского ящика, сверху накрытый стеклом, в нем помещена зачерненная металлическая пластина, под которую уложен слой утеплителя. В качестве теплоносителя используется воздух, вода, антифриз и т.д. Тепловой аккумулятор ? это резервуар, наполненный водой или гравием фракции 3-10 см. Бак с водой объемом более 100 л при правильно рассчитанной теплоизоляции может сберегать высокую температуру дольше недели. Объем воды или камней в аккумулирующих резервуарах зависит от периодов накопления и затрат тепла. Количество аккумулируемого тепла определяется по формуле:

Q = mc(t2 - t1)

где t2 и t1 ? начальная и конечная температура, ?С;

m ? масса материала;

с ? теплоемкость материала, кДж/кг ?С.

Для получения максимального теплового эффекта солнечную панель размещают так, чтобы солнце освещало ее максимальное время. Наклон панели должен быть 10-15? плюс географическая широта, что для широты 45? составляет примерно

55-60?. При этом появляется возможность стабильно нагревать воду и воздух до 50-60 ?С и экономить на 1 м2 поверхности солнечных коллекторов 120-180 кг условного топлива в год. Стоимость 1 м2 солнечных коллекторов для нагрева воды зависит от конструкции и материала и составляет примерно 200-500$.

Многие фирмы Европы разрабатывают, производят и поставляют коллекторы различной конструкции и стоимости. В начале 90-х годов Киев ЗНИИЭП и научно-производственный центр ?Гелиотерм? (г. Алушта) разработали нормативные документы по расчету и проектированию систем солнечного тепловодообеспечения. В этот период организован выпуск плоских солнечных коллекторов, разработанных институтом, на Броварском и Симферопольском заводах металлоконструкций. В НПЦ ?Гелиотерм? разработаны современные проекты ?солнечных? домов площадью до 600 м2, которые при эксплуатации не используют органического топлива.

Специализированное научно-производственное объединение ?Укргелиопром? разработало и выпускает солнечные бытовые водонагреватели ПСВ-100/100-1, запроектированные в Украине и России. Водонагреватели состоят из двух емкостей для горячей и холодной воды по 100 л каждая. Период работы апрель-сентябрь. Изоляция сберегает воду горячей на протяжении ночи. Вес нагревателя 80 кг, гарантийный срок работы 8 лет.

Он устанавливается на стенах, крышах. Габариты 1600x750x750. Стоимость 390 грн.

Кроме того, ?Укргелиопром? внедряет солнечные коллекторы английского производства. Внешнее покрытие из тедмара фирмы ?Dupont? с оптическим КПД 92 %. Внутреннее покрытие из тефлона с КПД 85 %. Поглощающая поверхность ? ребра из черного никеля, повышающего поглощение энергии без излучающих теплопотерь. Зеркальная фольга увеличивает использование всего спектра световых волн, а теплоизоляция из вспененного изоцианурата уменьшает теплопотери. Система комплектуется запорной и регулирующей арматурой, автоматикой, насосами, в зимний период может работать на незамерзающих теплоносителях (антифриз). Стоимость 1 м2 гелиоустановки с оборудованием $290, гарантийный срок работы 5 лет.

Один из современных разработчиков и поставщиков солнечной техники и технологий в Германии ? известная фирма ?VIESSMANN?. Фирма изготавливает два типа плоских солнечных коллекторов, горизонтальные и вертикальные, которые используются на плоских крышах.

?VIESSMANN? применяет также трубчатые вакуумированные коллекторы, состоящие из стеклянных вакуумных трубок, содержащих медный абсорбер ? поглотитель с высокоселективным слоем. Возле него смонтирована тепловая трубка, заполненная легкоиспаряющейся жидкостью. Другой тип высокоэффективного коллектора содержит шесть стеклянных вакуумных трубок с медным абсорбером. Для максимального использования солнечного излучения каждая труба установлена с возможностью поворота. Кроме коллекторов, солнечные системы ?VIESSMANN? имеют также емкостные подогреватели, помповую установку, блок регулировки и компенсатор объема.

Солнечные коллекторы фирмы ?VIESSMANN? представлены в Украине в Международном центре энергоэффективных технологий ?Энергия 2000? в г. Ялте.

При проектировании домов с гелиоустановками для оценки экономической эффективности сооружения солнечной установки необходимо определить, какова экономия топлива и электроэнергии и за какое время окупятся затраты. Для этого можно использовать обобщенные оценки требуемой экономии топлива и электроэнергии, отнесенные к м2 солнечного коллектора, определенные для разных регионов.

На шкале сверху отмечены значения требуемой экономии условного топлива, а на шкале снизу ? экономия электроэнергии для варианта солнечного горячего водоснабжения, примененного вместо электроподогрева воды. Указанные на диаграмме значения отнесены к ориентированной на юг поверхности солнечного коллектора с одним стеклом, площадью 1 м2, установленного под углом 30? к горизонту. Зная стоимость топлива или электроэнергии, потребитель может определить целесообразность применения и срок окупаемости солнечной установки того или иного типа и производителя.

Подогрев воды в солнечном коллекторе можно совмещать с получением электрического тока для домашних приборов с помощью солнечного электрического фотопреобразователя (фотоэлектрической станции). Применение их стало возможным благодаря снижению стоимости 1 Вт установленной мощности с $25 в 1977 году до $5 в 1990 году.

Сейчас чаще всего используются кремниевые фотопреобразователи, превращающие поглощаемые ими солнечные лучи в постоянный электрический ток. Фотоэлектрическую панель, состоящую из последовательно соединенных модульных пластин солнечных панелей, монтируют на крыше, а также на южном, восточном, западном фасадах здания. Избыток дневной солнечной энергии, поступающей в летний период, аккумулируется для использования в ночные часы и в пасмурные дни. Кпд кремниевых батарей около 25 %, но при нагреве снижается, поэтому целесообразно под фотоэлектрической панелью разместить трубопроводы для прокачки теплоносителя коллекторного устройства, которым фотопреобразователь будет отдавать тепло. При повороте солнечной батареи за солнцем ее кпд увеличивается в 1,8 раза по сравнению с обычными солнечными батареями. Получаемый постоянный ток преобразуется в переменный для подачи в электросеть здания. Эту электроэнергию, кроме бытовых приборов, можно использовать и для работы насоса перекачки теплоносителя в солнечном коллекторе. Таким образом, теплоснабжение, горячее водоснабжение и электроснабжение дома будут осуществляться за счет неоплачиваемого возобновляемого источника ? солнечной энергии.

Фотоэлектрические батареи, как и солнечные коллекторы, можно сочетать с пассивной солнечной системой отопления ? зимним садом. В Германии для этого используют фотоэлектрические модули японского производства. Их размещают на панелях зимнего сада, изготовленных из многослойного теплосберегающего стекла. Модуль составляется из моно-или мультикристаллических кремниевых элементов (их кпд различен) с небольшим расстоянием между ними. Через промежутки между элементами, как через решетку, сквозь стекло в зимний сад попадает солнечный свет и нагревает воздух, а падающий на полоски фотоэлементов солнечный свет преобразуется в электроэнергию, поступающую в электросеть. Солнечные элементы, обращенные внутрь помещения, серебристого цвета, а обращенные наружу ? темно-синие, темно-красные или светло-зеленые, что дает дизайнерам возможность использовать их декоративные качества в колористическом решении фасадов и интерьеров помещений.

Фотоэлектрические батареи применяются с 70-х гг. XX века для энергообеспечения зданий, фермерских хозяйств и целых поселков, удаленных от ЛЭП, во многих странах мира: США, Франции, Японии, Дании, Германии, Швейцарии, Австралии. Однако в Украине они почти не используются из-за еще достаточно высокой для нашего потребителя стоимости. Для производства 3000 кВт.ч -электроэнергии в год, необходимой для тепло- и енергообеспечения среднего домовладения, требуется установить солнечную батарею мощностью 2-3 кВт площадью 20-30 м2 , стоимость которой $8000-12000, срок окупаемости составляет в среднем 9-10 лет. Стоимость вспомогательного оборудования: инверторов переменного тока, аккумуляторов составляет около 20% стоимости,солнечного модуля. Однако существуют очень перспективные образцы, разработанные совместно учеными Германии и кафедры гелиоэнергетики ХГПУ. Это тонкопленочный электрический фотопреобразователь, массовое производство которого ожидается к 2010 году, позволя