Солнечный дом в Сибири

Благодаря открытым планам, раздвижным дверям и широкой лестнице, расположенной в северной части дома удалось создать эффективную систему естественного распределения нагретого воздуха рядом конвективных петель. В холодные зимние ночи окна и двери, выходящие в атриум, закрываются.

Северная (квадратная в плане) часть  атриума, выполняющая функцию световой шахты, в летнее время является "солнечной  трубой", охлаждающей дом. Приточный  воздух при этом поступает через  северные окна ванной и кухни.

Солнечный дом в Сибири

Публикуется по тексту статьи А.В. Чернышева  и В.А. Чернышева с незначительными  сокращениями.

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 счет солнечного воздушного коллектора, скомбинированного с достаточно емким подземным грунтощебеночным аккумулятором тепла, позволяющим  запасти низкопотенциальную энергию для резервного обогрева в пасмурные дни.

Конструкция дома

Рис. 1. Солнечный дом в Сибири. Общий вид. На заднем плане над  крышей видны лопасти резервной  ветровой энергоустановки.

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.

 

 

Рис. 2. Конструкция солнечного дома. План.

 

 

Рис. 3. Конструкция солнечного дома. Разрез.

аркасом дома служит деревянный брус сечением 150х50 мм. На нем - 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  теплого 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, утепленными пенополистиролом.

Щебеночный теплоаккумулятор

 

Под домом на глубине 3,5 м располагается щебеночный аккумулятор тепла емкостью 10 м3. Щебенка (размер 60...100 мм) насыпана слоями 500 мм на полки из арматурной стали. Полки разделены воздушной прослойкой 80 мм. Теплоизоляция щебеночного аккумулятора комбинированная: минеральная вата и полистирол. Для подачи в аккумулятор горячего воздуха из солнечного коллектора используется вентилятор.

Щебеночный аккумулятор расположен внутри более емкого грунтового аккумулятора емкостью 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 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 щебеночного  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 путем 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  щебеночного теплоаккумулятора, он был испытан прогревом с помощью  ТЭНов с использованием 1450 кВт*ч электроэнергии. Нагретая до 50°С щебенка, 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 щебенку энергией солнца, дровами, за счет 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

 

 

Рис. 4. 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.

Солнечный коллектор имеет площадь 12 м2. Он выполнен в виде фанерных ящиков размером 2200х900х130 мм. Сверху солнечный  коллектор закрыт двойным остеклением, под которым располагается зачерненный  лист из кровельного железа (абсорбер солнечного коллектора). От дна ящика этот лист изолирован минеральной ватой. На ночь и в непогоду коллекторы закрываются снаружи утепленными ставнями.

В отличие от водяного воздушный  солнечный коллектор проще, быстро прогревается и надежно работает и зимой, и летом. Однако 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. Обычно же рабочая температура воздуха, выходящего из коллектора, составляет летом 50...80°С, а зимой - 40...60°С.

 

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.

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°С до +11°C только за счет 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.

Исторический пример  пассивного   солнечного  дома

Наиболее известным историческим примером  пассивного  использования  солнечной  тепловой энергии является крепость Монтесумы в Аризоне, построенная между 1100 и 1300 г.г.

 

a

Рис. 1. Крепость Монтесумы.

 

Крепость была построена индейцами  на крутом южном склоне известнякового массива. Южные стены крепости возведены из adobe (самана). Толстые стены благодаря хорошим теплотехническим свойствам способны аккумулировать значительное количество солнечной теплоты в течение зимнего дня. Этого количества  солнечного  тепла вполне хватает для  отопления  в ночное время помещений, расположенных глубоко в скальном массиве.

Естественный скальный навес над  крепостью в летнее время выполняет  функции затеняющего козырька, защищая  внутренние помещения от перегрева, когда солнце находится в зените.

Естественная вентиляция обеспечивается люками, которые открываются для охлаждения помещений и теплоаккумулирующих элементов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

Герман, Henery, WR Lazard, Laidlaw and Mead, Inc., ”Промышленность  Энергии ветра,” ноябрь 1994.

Возобновляемые источники энергии плотиной Дж. В. Твиделла и А. Д. (пересмотренный 1997). Лондон: Spon/Routledge.

 

Руководство Расположения для Маленьких энергетических Конверсионных Систем Ветра, Battelle Тихоокеанская  Северо-западная Лаборатория, Национальное Обслуживание Технической информации, американское Министерство торговли, Спрингфилд, 1980.

 

Книга Энергии ветра, Дж. Парк, Книги Chesire, Пало-Альто, Калифорния, 1981.

 

Энергия ветра для дома & Бизнеса: Возобновляемый источник энергии в течение 1990-ых и Вне, П. Джип, Chelsea Green Publishing Company, 1993.

 

http://www.windpower.dk

 

А. И. Капралов Рекомендации по применению жидкостных солнечных коллекторов. ВИНИТИ, 1988

 

Гелиотехника. Академия Наук Узбекской АССР, 1966

 

Солнечный душ\\Наука и жизнь, издательство Правда. 1986 №1, стр 131

 

Г. В. Казаков Принципы совершенствования  гелиоархитектуры. Свит, 1990