Три варианта простых и дешёвых солнечных домов были построены в Новосибирске более 30 лет тому назад. Несмотря на конструктивную простоту они показали очень хорошие результаты.
Внешний вид (на заднем плане над крышей видны лопасти резервной ветровой энергоустановки)
Содержание
- Цель исследований
- Конструкция дома
- Щебёночный теплоаккумулятор
- Грунтовое аккумулирование тепла
- Солнечный воздушный коллектор
- Результаты исследований
- Солнечное тепло в условиях Новосибирска
Цель исследований
Цель проводимых нами исследований — получить исходные данные для массового застройщика, желающего доступными средствами активно использовать энергию солнца для отопления помещений, теплиц, сушки сельскохозяйственной продукции, древесины в условиях Юго-Западной Сибири.
В данной статье рассматривается последний из 3-х вариантов солнечных домов, построенных нами с 1981 г. Это 2-этажный дом типа Шалаш площадью 40 м².
Дом обеспечивает возможность круглогодичной эксплуатации. Его обогрев осуществляется за счёт солнечного воздушного коллектора, скомбинированного с достаточно ёмким подземным грунтощебёночным аккумулятором тепла, позволяющим запасти низкопотенциальную энергию для резервного обогрева в пасмурные дни.
Конструкция дома
Солнечный дом имеет размер 7х7 м, в вертикальном разрезе — это равносторонний треугольник, одна сторона которого обращена на юг. На этой южной части кровли расположены солнечные воздушные коллекторы — главный элемент энергетического оборудования солнечного дома. Они размещены в 2 яруса, на каждом этаже между стропилами и закрыты рамами с двойным остеклением.
План
Разрез
Каркасом дома служит деревянный брус сечением 150х50 мм. На нём — обрешетка с рубероидом, сверху закрытая шифером. Стены утеплены минеральной ватой слоем 150 мм. Внутри стены зашиты фанерой.
Комната на 1 этаже имеет раздвижные стены, позволяющие изменять полезную площадь от 16 м² (в разгар зимних холодов) до 25 м² (при наступлении тёплого времени года).
Из внешнего тамбура лестница ведет на 2 этаж, в теплицу с разборным солнечным коллектором. Этот этаж может использоваться и в качестве жилой комнаты, сушилки и т.п.
В течение наименее солнечного сезона — с ноября по февраль — обогрев дома осуществляется всеми солнечными коллекторами. Так как коллекторы расположены ярусами по высоте, то зимой нагреваемый воздух может пройти последовательно через оба яруса коллекторов (от земли до верха теплицы).
В марте, при посадке рассады, половина одного коллектора на 2-ом этаже снимается. По мере роста рассады и весеннего потепления, в апреле–мае, снимаются все ящики коллектора, и остается лишь двойное остекление верхнего этажа. В непогоду и ночью функционирующие коллекторы закрываются ставнями, утеплёнными пенополистиролом.
Щебёночный теплоаккумулятор
Под солнечным домом на глубине 3,5 м располагается щебёночный аккумулятор тепла емкостью 10 м³. Щебёнка (размер 60–100 мм) насыпана слоями 500 мм на полки из арматурной стали. Полки разделены воздушной прослойкой 80 мм. Теплоизоляция щебёночного аккумулятора комбинированная: минеральная вата и полистирол. Для подачи в аккумулятор горячего воздуха из солнечного коллектора используется вентилятор.
Щебёночный аккумулятор расположен внутри более ёмкого грунтового аккумулятора ёмкостью 300 м³, образованного естественным грунтом внутри специальным образом окопанного и отчасти теплоизолированного пространства.
Грунтовое аккумулирование тепла
Цель создания грунтового аккумулятора тепла — создать его резерв на неблагоприятное время года.
Для создания возможности предварительного насыщения грунтового аккумулятора теплом вокруг солнечного дома по его периметру на глубине 2 м проложен кольцевой воздуховод сечением 400 см² и длиной 26 м. 2-мя колодцами с противоположных сторон сделана врезка в воздуховод.
Исследование процесса аккумуляции тепла велось измерением температуры грунта в 3-х скважинах через каждый метр вниз до глубины 5 м:
- 1-ая скважина — под домом, в метре от стенки щебёночного аккумулятора;
- 2-ая скважина — за кольцевым воздуховодом;
- 3-ая скважина — в 20 м от дома.
В течение 5-ти сезонов эксплуатации грунтового теплоаккумулятора его прогрев начинали в начале лета вентилятором производительностью 500–600 м³/ч атмосферным воздухом, нагретым естественным путём до 20–25°С. При этом в начале лета грунт поглощает тепловую мощность 5–8 кВт. По мере прогрева грунта в местах расположения воздуховода до 18–20°С теплопоглощение снижается до 1,0–1,5 кВт.
За лето основная масса грунта теплоаккумулятора успевает прогреваться до 16–17°С. В естественных условиях без специального прогрева грунт на полигоне, остыв зимой, к началу лета на глубине 3–4 м имеет температуру лишь 3,2–4,0°С и к осени прогревается только до 7,5–8,0°С.
В 1991 г. после зимнего монтажа щебёночного теплоаккумулятора, он был испытан прогревом с помощью ТЭНов с использованием 1450 кВт*ч электроэнергии. Нагретая до 50°С щебёнка, защищенная, как в термосе, теплоизолирующими стенками, за неделю сверху остыла на 20°С, а внизу на 35°С.
В заранее прогретом грунте мы надеемся нагревать щебёнку энергией солнца, дровами, за счёт энергии ветра существенно сильнее, до температур 60–70°С. В комнате 16 м² зимой это позволяет получить комфортные условия в течение 5–10 дней.
Солнечный воздушный коллектор
Солнечный коллектор имеет площадь 12 м². Он выполнен в виде фанерных ящиков размером 2200х900х130 мм. Сверху солнечный коллектор закрыт двойным остеклением, под которым располагается зачернённый лист из кровельного железа (абсорбер солнечного коллектора). От дна ящика этот лист изолирован минеральной ватой. На ночь и в непогоду коллекторы закрываются снаружи утеплёнными ставнями.
Конструкция плоского солнечного коллектора с воздушным теплоносителем:
1 — зазор между стеклами и коллектором; 2 — ребро коллектора; 3 — минеральная вата; 4 — оконная рама 40 х 40 мм); 5 — коллектор (кровельное железо); 6 — уголок 20 х 20 мм; 7 — минеральная вата 80–100 мм; 8 — отверстие 50 х 300 мм; 9 — фанерный ящик
В отличие от водяного воздушный солнечный коллектор проще, быстро прогревается и надёжно работает и зимой, и летом.
Рабочая температура воздуха, выходящего из коллектора, составляет летом 50–80°С, а зимой — 40–60°С.
Воздушный солнечный коллектор становится пожароопасным в жаркий период лета. Нами установлено, что при закрытой заслонке на выходе нашего коллектора температура воздуха поднималась до 140°С.
Тепловая мощность
Средняя полезная тепловая мощность, получаемая с 1 м² коллектора, составляет зимой 100–300 Вт, а летом — 300 Вт. Пик мощности 600–800 Вт наблюдался в мартовские дни. Чистый подтаивающий снег с ледяной корочкой на волнистых сугробах перед коллектором существенно увеличивает выходную мощность коллектора.
Результаты исследований
По мере совершенствования солнечных коллекторов, утеплителей и аккумуляторов тепла увеличивается и КПД всей системы в целом. Так, если в 1-ом экспериментальном домике в феврале 1982 г. мы радовались, наблюдая, как температура с —4°С поднималась до +3°С, то в 3-ем доме в морозный день 4 декабря 1993 г. при температуре на улице —20°С температура в теплице за 1,5 часа поднялась с —7°C до +11°C только за счёт естественной конвекции.
В перспективе в отопительный период мы надеемся:
- 40% энергии получать от солнца;
- 30% — от небольшого ветроэлектроагрегата;
- 30% — от специальной печки.
1-ый испытанный нами ветроэлектроагрегат мощностью 0,5 кВт разработки НЭТИ показывал удовлетворительный результат в течение года.
Солнечное тепло в условиях Новосибирска
По нашим многолетним наблюдениям, в Новосибирске летом солнца не бывает лишь 1–3 дня в месяц. Зимой около 2-х месяцев солнце закрыто тучами. Солнечные коллекторы нашей конструкции улавливают солнечную радиацию летом в течение 6–10 часов, а зимой — 2–4 часа. Теплопоступления в декабре–январе в 10 раз слабее, чем летом.
Публикуется по тексту статьи А.В. Чернышева и В.А. Чернышева с незначительными сокращениями.
Комментарии