Солнечный дом в Сибири

Ориентация коллекторов для  системы  отопления должна быть в  пределах от юг - юго-востока до юг - юго-запада и от юго-востока до юго-запада для системы приготовления горячей  воды.

Угол наклона коллекторов для  системы отопления помещений (измеряемый от горизонтали) может находиться в пределах = ...( + 10...15)°, где - широта местности. Для 40°с.ш. пределы составляют 40...90°. Наклон коллекторов для системы горячего водоснабжения находится в пределах (-10)...(+25)°. Для 40°с.ш. этот диапазон составляет 30...75°.

Во всех вышеуказанных пределах сезонная или годовая общая эффективность  системы будет отличаться не более  чем на 10...20 % от оптимальной.

Один из самых простых способов использования солнечного тепла  при существующих крышах заключается  в пропускании воды поверх гонтовой поверхности. Теплоприемная поверхность должна быть как можно более черной, при необходимости окрашенной и свободной от мусора. К стропилам крепятся рамы для двух слоем остекления и конструкционного материала (например, полиэфирной смолы, армированной стекловолокном) с учетом мер для предупреждения протечек.

Крышу можно также покрыть волнистыми алюминиевыми листами, окрашенными  в черный цвет и закрытыми стеклом. Вода подается через перфорированную  трубу вдоль конька крыши и  собирается затем в желоб. Коэффициент полезного действия такого коллектора невелик, но незначительные затраты, связанные с превращением существующей крыши в солнечный коллектор, могут оправдать невысокий КПД.

На рис. 2 показаны некоторые детали возможной констукции коллектора. Участки стен южной ориентации можно превратить в воздушные коллекторы примерно также, как это было сделано с крышами. Коллекторы водяного типа при размещении на стенах менее практичны, поскольку отсутствует наклонная поверхность, по которой вода может стекать.

 

Рис. 2. Переделка существующей крыши  в солнечный коллектор водяного типа с открытым потоком:

1 - верхняя накладка; 2 - труба с  перфорациями; 3 - два слоя стекла  или другого прозрачного материала; 4 - холодная вода; 5 - фильтр (для асфальтовой крошки); 6 - нагретая вода, стекающая в желоб; 7 - конопатка (типовая); 8 - стекло; 9 - металлическая кляммера; 10 - гонт; 11 - фанера; 12 - стропило.

 

Во дворах вне дома коллекторы могут  размещаться на отдельно стоящих  конструкциях. Пример такого устройства показан на рис. 3. Прохладный воздух из дома отбирается через нижнюю часть окна в солнечный коллектор, а подается обратно в помещение через верхнюю часть окна. Устройство похоже на оконный кондиционер. Более высокая степень регулирования достигается путем подачи прохладного воздуха в коллектор из одного окна и возврата теплого воздуха в другое.

Рис. 3. Портативный солнечный коллектор  воздушного типа, устанавливаемый во дворе.

 

При переоборудовании существующих зданий можно применить быстрый  и достаточно дешевый метод установки простых солнечных коллекторов воздушного типа в оконной коробке. На рис 4, 5, 6 представлены модификации вертикальных термосифонных солнечных коллекторов. Такие коллекторы предназначены для установки в проемы существующих окон. На рис. 4 показана конструкция, приписываемая Баку Роджерсу из г. Эмбудо (Нью-Мексико, США). Прохладный воздух из помещения засасывается в коллектор нагретым воздухом, который из коллектора поступает в помещение. Вертикальный вариант этой конструкции, показанный на рис. 5, особенно приемлем для крупных зданий.

 

 

 

Рис. 4. Солнечный коллектор, встроенный в оконную коробку:

1 - стена дома; 2 - окно; 3 - теплый  воздух; 4 - прохладный воздух; 5 - стекло; 6 - коллектор; 7 - фанера; 8 - изоляция.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Вариант устройства солнечного коллектора в оконной коробке:

1 - существующая стена дома; 2 - существующее  окно; 3 - нагретый воздух; 4 - прохладный  комнатный воздух; 5 - стекло или  пластмасса; 6 - черная пластина коллектора; 7 - пол в помещении.

 

 

 

 

 

 

 

Хотя коллектор в оконной  коробке может быть почти любого размера , его эффективность, даже и  значительная, основываясь на площади, в действительности будет мала, если размеры коллектора существенно  не превышают размеров окна. Если для  обеспечения 50%-ной потребности в отоплении требуется коллектор размером 25...50% от площади пола здания, то должно быть ясно, что для заметной экономии энергии требуются большие коллекторы. На рис. 6 показан коллектор значительно превышающий размеры окна.

Рис. 6. Коллектор, превышающий по размеру оконную коробку.

 

Трудная задача дополнения существующих зданий аккумулятором тепла была практически решена Дж. П. Гуптой и  Р. К. Чопрой из лаборатории министерства обороны (г. Джодхпур, Индия). Они разработали  простой солнечный обогреватель комнат не требующий механической энергии и встраиваемый в существующие здания.

Рис. 7. Простой солнечный обогреватель комнаты:

1 - холодная вода; 2 - коллектор; 3 - солнечная  радиация; 4 - горячая вода; 5 - перелив; 6 - стена; 7 - фанера; 8 - изоляция (сухая трава); 9 - глинобитная крыша; 10 - джутовая изоляция; 11 - воздушный зазор; 12 - отверстие для сообщения с атмосферой и заливки; 13 - кран; 14 - стекловата; 15 - бак; 16 - подставка для бака; 17 - дверь.

 

 

 

Как видно из рис. 7, солнечный коллектор южной ориентации наклонно опирается на стену здания. Высокий бак с горячей водой без теплоизоляции находится в помещении, примыкая хорошо изолированной стенкой к наружной стене. В результате естественной конвекции вода циркулирует из плоского коллектора в бак и обратно в коллектор. Если в данном климате возможны отрицательные температуры, в воду добавляется антифриз. Тепло в помещение бак излучает своей передней стенкой.

Солнечные дома в Швеции

Двухэтажные жилые дома в г. Карльстаде (59° с.ш.) расположены так, чтобы не было взаимного затенения. Каждый дом поставлен на бетонное основание толщиной 150 мм с тепловой изоляцией, а стены сделаны из дерева. Дом имеет гелиотеплицу с двойным остеклением. Коэффициенты теплопотерь равны, Вт/(м²*°С):

для стен K=0,12 (толщина слоя минеральной  ваты =360 мм);

для пола K=0,12 (=220 мм);

для крыши K=0,08 (=550 мм);

для окон с тройным остеклением  и отражающей металллической фольгой K=1,4.

Воздухообмен осуществляется с  помощью вентилятора, и система  вентиляции объединена с отоплением. Кратность воздухообмена равна 0,5/ч. Зимой наружный воздух проходит через гелиотеплицу. В теплый период года (с мая по сентябрь) окна полностью защищены от попадания солнечных лучей с помощью выступов крыши. Дома потребляют очень мало энергии - 27 кВт*ч/м² в год. Для отопления дома с жилой площадью 100 м² требуется лишь 270 л жидкого топлива в год.

Реализован проект строительства  жилого дома в Хальмстаде (56,7° с.ш.). Среднегодовая температура наружного  воздуха +7,2°С, а его расчетная температура -16°С.

Использованы:

тяжелая бетонная конструкция здания;

южная ориентация;

остекление южной стены;

гелиотеплица;

защита от солнечного излучения  летом с помощью выступов крыши.

Коэффицинты теплопотерь равны, Вт/(м²*°С):

для стен K=0,2;

для пола K=0,12;

для крыши K=0,11;

для окон K=1,4.

Основание дома - бетонная плита на земле, несущие конструкции из бетона, остальные - из дерева.  Отопление  - водяное от газового котла. Вентиляция - механическая с утилизацией теплоты  удаляемого воздуха с помощью теплового насоса. Площадь отапливаемых помещений 934 м², годовое потребление энергии для  отопления  33000 кВт*ч. удельное потребление теплоты 35 кВт*ч/м² в год.

 Солнечные  дома для Аляски

Достаточно интересен пример проектных  разработок трех домов для арктических деревень Аляски, где потребность в  отоплении  сохраняется не только весной и осенью, но и летом, а количество часов  солнечного  сияния в эти сезоны весьма велико. При  проектировании  основными предпосылками была ориентация на использование обычной техники, освоенной местными жителями, и материалов, легко обрабатываемых и доставляемых на отдаленные строительные площадки. Конструкция домов позволяет легко осуществлять расширение, вносить архитектурные изменения, которые весьма желательны в условиях однообразного ландшафта тундры.

При  проектировании  домов архитектор Hai-Toh Lim использовала следующие приемы объемно-планировочных и конструктивных решений:

для защиты от оттаивания вечномерзлых грунтов деревянные столбчатые фундаменты опираются на гравийную отсыпку, а под зданиями оставлено открытое проветриваемое подполье;

входы имеют двойные тамбуры;

северная стена здания - минимальной  высоты с окнами незначительной площади;

стены и перекрытия каркасной конструкции  с обшивкой из фанеры, теплоизоляцией из стекловолокна и воздухо- и пароизоляцией;

 отопление  осуществляется  печью на дровах или мазуте  и  пассивной   солнечной   системой .

Во всех проектах применено одно оригинальное решение коллекторов (рис. 1). Вместо обычно применяемой в  пассивных   системах  массивной теплоемкой стены используется легкая каркасная панель с обшивкой из фанеры и эффективной теплоизоляцией из стекловолокна. Для увеличения абсорбирующей поверхности к наружной обшивке прибиваются "четверти" металлических консервных банок из-под напитков, обычно выбрасываемых на свалку. Все они и наружная поверхность фанеры окрашиваются в темный цвет. На расстоянии 80...100 мм от обшивки размещаются два светопроэрачных стеклопластиковых листа с зазором между ними 20...25 мм.

 

 

Pиc. 1. Koнструкция  солнечного  коллектора домов для Аляски: 1 - светопрозрачный стеклопластик; 2 - стекловолокно; 3 - стойки каркаса; 4 - фанера, окрашенная в черный  цвет; 5 - гвозди; 6 - рейка; 7 - "четверти" консервных банок; 8 - отверстие для воздуха.

 

 

 

 

 

 

В первом проекте (2-этажном доме) нагретый воздух попадает в гравийный аккумулятор, расположенный на междуэтажном перекрытии. Отдав тепло, воздух опускается через  зазор между теплоизолированной наружной стеной и панелью коллектора и снова перетекает к нагреваемой солнцем поверхности. Тепло из аккумулятора используется для нагрева воздуха в помещении и воды в бочках, установленных в гравийной засыпке.

Для большей эффективности Hai-Toh Lim предлагает установить вентилятор для  направления теплого воздуха, скапливающегося под потолком второго этажа, по вертикальному вентканалу в уровень первого этажа.

Во втором проекте - доме с помещениями  в трех уровнях - к коллектору вплотную примыкает вертикальный гравийный  аккумулятор тепла с промежуточной вертикальной стенкой, удлиняющей путь прохождения воздухом толщи засыпки.

Третий проект - наиболее интересен. Это одноэтажное здание с двускатной крышей (рис. 2). Его размеры в плане 7,3х9,1 м. В отличие от других домов, автор относит его  систему   солнечного   отопления  к категории активных, так как здесь обязательна принудительная циркуляция воздуха.

 

 

Рис. 2. Поперечный разрез дома для  Аляски (третий проект): 1 - ветровой роторный двигатель для вентилятора; 2 - вертикальный воздуховод с вентилятором; 3 - люки для нагретого воздуха; 4 - солнечный коллектор южной стены; 5 - гравийный тепловой аккумулятор; 6 - холодный тамбур-кладовая; 7 - фанера 12 мм; 8 - пароизоляция; 9 - деревянные бруски 50х50 мм; 10- деревянные стойки 50х100 мм; 11- фанера 15 мм, окрашенная в темный цвет; 12- разрезанные консервные банки, прибитые к фанере; 13- два слоя светопрозрачных стекловолокнистых пластин, зазор 18 мм.

Источниками тепла в данном случае являются также обычная печь на твердом  или жидком топливе и солнечный  коллектор, совмещенный с наружной южной стеной. Нагретый коллектором воздух поступает в помещение через люки (закрываемые на ночь и в холодную пасмурную погоду) под потолком и, смешавшись с теплым воздухом от печи вентилятором, направляется по вертикальному воздуховоду вниз, в подпольное пространство, заполненное гравием, аккумулирующим тепло. Отсюда оно поступает через пол и специальные зазоры вдоль стен в помещение. Благодаря такому решению достигается одна из основных целей при строительстве дома на Севере - обогрев пола и создание лучшего микроклимата.

Удачна планировка здания. С северной стороны расположена низкая неотапливаемая кладовая, через которую осуществляется вход в дом. Окон на северной стороне  нет. Все это снижает теплопотери, вызываемые северными ветрами. Остальные окна с тройным остеклением и теплоизоляционными шторами.

Для всех домов применена эффективная  теплоизоляция из стекловолокна. Благодаря  малой массе и простоте упаковки транспортировка ее в удаленные  районы не представляет трудностей. Толщина теплоизоляции не менее 20 см в наружных стенах. 25 см в нижнем перекрытии и 37 см - в верхнем. Каркас стен образуется деревянными стойками сечением 5х10 см, располагаемыми в шахматном порядке для исключения холодовых мостиков. Основные параметры домов и характеристика элементов  солнечного   отопления  даны в табл.

1.Таблица

1. Основные параметры домов по  проектам Hai-Toh Lim
№ проекта	Размеры дома в плане, м	Общая площадь пола, м²	Суммарная площадь оконных проемов, м²	Площадь коллектора, м²	Объем гравийного аккумулятора, м³
1	6,1 x 7,3	89,2	10,2	22,3	9,2
2	7,3 x 7,3	73,0	7,0	20,1	10,2
3	9,1 x 7,3	53,5	5,1	14,9	8,5

Из табл. 1 следует, что площадь  коллекторов во всех проектах равна 27,5...27,8% от площади пола. Объем аккумулятора составляет 0,10; 0,14; 0,16 м³/м² площади пола.

Солнечные дома в Канаде

Подход к решению проблемы экономии топливных ресурсов и энергии  в Канаде: