Индивидуальные солнечные установки

АРХИТЕКТУРНО-КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СОЛНЕЧНЫХ ДОМОВ

Во всем мире имеются памятники древней архитекту­ры, свидетельствующие о том, что строители всегда стре­мились придавать зданиям такую фюрму, размещать их и ориентировать отдельные элементы (внутренние про­странства, двери, окна и т. д.) таким образом, чтобы максимально использовались преимущества климата и ландшафта, а при определении теплового комфорта учитывалась роль деревьев, растительности и водоема, расположенного вблизи здания. В конструкциях зданий часто используются массивные стены и реализуется стремление уменьшить отношение поверхности здания к его объему для снижения колебаний температуры воз­духа в помещениях.

Применение в современных солнечных домах систем для использования солнечной энергии определяет особен­ности их архитектуры, сказывается на ориентации зда­ния, положении его элементов относительно южного на­правления и плоскости горизонта, определяет выбор ма­териалов и конструкций ограждений и т. п. Рассмотрим особенности архитектурно-планировочных и конструктив­ных решений домов с гелиосистемами теплоснабжения и проанализируем решения ряда солнечных домов, опыт создания которых может оказаться полезным при строи­тельстве индивидуальных жилых домов с гелиосисте­мами.

Во многих странах мира все более возрастает инте­рес к солнечной или биоклимаТической архитектуре. При этом возникают новые решения, которые нередко расхо­дятся с традиционными представлениями классической архитектуры.

Помимо всех требований, предъявляемых к совре­менному жилищному строительству, солнечная архитек­тура должна обеспечивать улавливание максимального количества солнечной энергии в зимний период с целью снижения потребления топлива. В солнечных домах ис­пользуются пассивные и активные гелиосистемы. В пас­сивных системах солнечная энергия улавливается и аккумулируется в ограждающих конструкциях самого здания: в полу, стенах, потолке. Архитектурно-планировоч­ные решения солнечных домов определяются особенно­стями климатических условий и имеют специфику в хо­лодном и жарком сухом или влажном климате.

Первая пассивная гелиосистема была запатентована в США в 1881 г. Это был патент на остекленную южную стену темного цвета. В 1972 г. она была вновь запатенто­вана во Франции и по именам изобретателя и архи­тектора получила название стены Тромба — Ми­шеля.

В СССР построен ряд солнечных дОмов в южных рай­онах. По разработке институтов ИВТАН и Армгипросель - хоз й п. Мерцаван (Армения) в 1981 г. построен экспери­ментальный жилой одноквартирный дом с активной солнечной установкой теплоснабжения, включающей плос­кий КСЭ площадью 32,4 мг, аккумулятор теплоты и си­стему КИП. Гелиоустановка покрывает до 55 % годового теплопотребления дома и обеспечивает годовую эконо­мию топлива до 3 т условного топлива, Сметная стои­

Мость гелиоустановки (5,5 тыс. руб.) составляет 15,5 % стоимости дома.

Солнечный двухквартирный дом эксплуатируется в п. Ильичевск Ташкентской обл. Каждая квартира жи­лой площадью 63 м2 снабжена независимой системой сол­нечного теплоснабжения, которая включает КСЭ пло­щадью 56 м2, установленный под углом 70° перед южным фасадом здания, аккумулятор теплоты емкостью 4 м[2] (запас теплоты на 2—3 дня) на базе водонагревателя СТД-3071, отдельный бак горячей воды емкостью 0,4 м3 на базе водонагревателя СТД-3070, насос ЦВЦ-6,3-3,5 и водонагреватель-дублер КЧМ-1м на природном газе. Отопительные приборы — конвекторы «Комфорт-20». Не­токсичный недорогой и не вызывающий коррозии неза­мерзающий теплоноситель НОЖ-2 используется в конту­ре КСЭ, аккумуляторе теплоты и отопительных прибо­рах.

Циркуляция теплоносителя в контуре КСЭ — прину­дительная, а в системе горячего водоснабжения и в кон­туре аккумулятора — отопительных приборов —естест­венная. За отопительный сезон обеспечивается около 30% нагрузки теплоснабжения, а за 7 мес теплого пери­ода—100% нагрузки горячего водоснабжения.

Гелиоустановка пансионата в г. Геленджике эконо­мит 355 т условного топлива в год, что эквивалентно эко­номии 20 900 руб. в год. Разработаны и строятся экспе­риментальные четырех-пятикомнатные жилые дома в Армении и Дагестане с площадью застройки 125 м2, отап­ливаемой площадью до 95 м2 и объемом 264 м3. При площади солнечного коллектора 32 и 58 ма расчет­ная, доля солнечной энергии в покрытии нагрузки теп­лоснабжения равна соответственно 0,41 и 0,71. Сметная стоимость дома равна 32 тыс. руб. Ожидается, что в год будет экономиться соответственно 1,3 и 3,2 т условного топлива.

Экспериментальный дом фирмы «Филипс» (ФРГ; г. Аахен, 50,5° с. ш.) жилой площадью 116 м2 и объемом 290 м3 (рис. 37, а) оборудован эффективной системой для использования солнечной энергии, теплоты грунта и ути­лизации теплоты сточных вод и удаляемого вентиляцион­ного воздуха. Поставленная при проектировании цель снижения теплопотерь здания была достигнута путем применения улучшенной теплоизоляции стен, двойного остекления окон с отражательным для инфракрасного

Излучения покрытием, уменьшения нерегулируемой ин­фильтрации воздуха и организации принудительной вен­тиляции. Благодаря изоляции стен слоем минеральной ваты толщиной 250 мм по сравнению со стандартным домом коэффициент теплопередачи через стены снизился с 1,23 до 0,14 Вт/(м2-К), а для окон площадью 23,5 м2— с 5,8 до 1,5 Вт/(м2-К). При этом годовая потребность в теплоте для отопления уменьшилась в 6 раз и состав­ляет 8,3 МВт-ч вместо 49,6 МВт-ч.

Дом используется для проведения исследований и обо­рудован гелиосистемой, тепловым насосом и теплоутили­зационными устройствами (рис. 37,6). Гелиосистема включает коллектор солнечной энергии площадью 20 ма, сезонный водяной аккумулятор теплоты емкостью 40 м3 для отопления и бак объемом 4 м3 для подогрева воды. Вода, нагреваемая в коллекторе до 95 °С, посредством теплообменника Т1 передает теплоту воде в аккумулято­ре. Тепловой насос использует теплоту сточных вод, со­бираемых в баке 3 емкостью 1 м3, в котором размещен испаритель И теплового насоса, а его конденсатор К рас­положен в баке 4 вместе с электронагревателем. Тепло­вой насос также отбирает теплоту от грунта с помощью теплообменника Т5, расположенного под домом в земле. Тепловой насос имеет два испарителя (Я и Т5), и его коэффициент преобразования равен 3,5—4 в диапазоне температур 15—50 °С при мощности привода компрессо­ра 1,2 кВт. С помощью насоса НЗ и трубопроводов акку­мулятор теплоты соединяется с баком 4, а через него — с тепловым насосом 5 и баком 3. В доме предусмотрена вспомогательная стенка, сообщающаяся с грунтом и ис­пользуемая для подогрева (зимой) и охлаждения (ле­том) воздуха (В), поступающего в здание.

Система может работать в различных режимах, и уп­равление ею осуществляется с помощью мини-ЭВМ.

Для отопления здания теплота подается к радиато­рам из сезонного аккумулятора посредством теплообмен­ника Т2. Аккумулятор заряжается до температуры 95 °С от солнечного коллектора посредством теплообменника 77 или от теплового насоса. Вентиляция здания осуще­ствляется воздухом (В), подогретым в утилизационном теплообменнике Тб, удаление воздуха (УВ) производит­ся вентилятором. Для горячего водоснабжения вода, по­даваемая в душ, вначале подогревается в теплообменни­ке ТЗ, размещенном в баке 3 утилизации теплоты сточ­
ных вод, а затем догревается до 55 °С в теплообменнике Т4 в баке 4 за счет теплоты, подводимой от коллектора солнечной энергии или от теплового насоса. Аккумуля­тор, баки, два насоса (Н2 и НЗ) и тепловой насос раз­мещены в подвале, ЭВМ и один насос (Н1) —в мансар­де. Охлажденная использованная вода {ИВ) отводится в канализацию.

Коллектор (рис. 38) выполнен из 18 модулей и раз­мещен на южном скате крыши. Модуль КСЭ представ­ляет собой вакуумированный стеклянный баллон, верх­няя часть внутренней поверхности которого имеет покры-

Рис. 38. Вакуумированный стек­лянный трубчатый коллектор (в разрезе):

1 — стеклянная труба; 2 — теплоотра­жательное покрытие; 3 — зеркальный слой; 4 — приемник солнечного излу­чения; 5 — труба для нагрева теплоно­сителя

Тие, отражающее тепловое излучение, а нижняя часть покрыта посеребренным слоем, отражающим солнечные лучи на приемник, который изготовлен из покрытой чер­ной стеклянной эмалью и-образной трубы для нагрева­емого теплоносителя (воды). Оптический КПД коллек­тора равен 0,76, а коэффициент теплопотерь 1,5 Вт/ /.(м*.°С).

Дом с нулевой потребностью в топливной энергии, по­строенный в 1975 г. в г. Копенгагене (55°43 с. ш., Да­ния), имеет площадь 120 м2 и объем 300 м3. Он состоит из двух блоков с плоской крышей, соединенных жилой комнатой со стеклянной крышей, на которой размещается КСЭ площадью 42 м2. Стены, пол и потолок дома име­ют тепловую изоляцию из минеральной ваты толщиной 0,3—0,4 м, причем она с обеих сторон обшита фанерой с водоотталкивающим покрытием. Окна снабжены теп­лоизолирующими ставнями. Свежий воздух в здание по­дается вентиляционной системой. Теплота из КСЭ пере­дается в подземный бак-аккумулятор объемом 30 м3 с толщиной слоя минеральной ваты 0,6 м. Летом осуще­ствляется вентиляция через остекленный проем в крыше.

Коэффициент теплопотерь стен равен 0,14 Вт/(м2-°С), годовая тепловая нагрузка отопления составляет 2300 кВт-ч, а горячего водоснабжения 3050. кВт-ч. Годо­вая теплопроизводительность солнечного коллектора равна 9017 кВт-ч, 25 % этого количества теплоты исполь­зуется для отопления, 34% —для горячего водоснабже­ния, а 41 % составляют теплопотери аккумулятора.

При строительстве жилых домов, в которых предпо­лагается использование солнечной энергии для отопле­ния, необходимо учитывать следующие положения: солнечный дом должен быть спроектирован таким об­разом, чтобы обеспечивалось максимально возможное улавливание солнечной энергии в холодное время года и минимальное ее поступление внутрь дома летом;

Дом должен иметь небольшие тепловые потери, что обеспечивается применением улучшенной тепловой изо­ляции в стенах, полу, потолке, а также уменьшением не­контролируемого поступления холодного наружного воз­духа и организацией принудительной регулируемой вен­тиляции для поддержания требуемого тепловлажностно­го режима помещений;

По возможности солнечный дом не должен иметь окон в северной стене, а если этого избежать не удается, то их площадь должна быть небольшой;

В индивидуальном доме северная стена может быть полностью или частично засыпана землей (постоянно или только зимой), то же относится (в меньшей мере) к вос­точным и западным стенам;

Потери теплоты через окна в ночное время могут быть существенно снижены благодаря применению ставней или в крайнем случае плотных штор;

Потери теплоты вследствие проникновения холодного воздуха должны быть сведены к минимуму путем уплот­нения всех щелей и устройства тамбура у входной двери;

Солнечный дом должен иметь компактную двух-трех - этажную конструкцию, чтобы приблизиться к оптималь­ному соотношению его объема и наружной поверхности.

Рассмотрим примеры конструктивного выполнения ряда солнеч­ных домов, построенных в различных странах, опыт которых можно позаимствовать. Южная вертикальная стена двухэтажного жилого дома в г. Доувер (штат Массачусетс, США, 42° с. ш.) площадью 135 м2 служит солнечным коллектором для нагрева воздуха (рис. 39). Аккумулирование теплоты осуществляется с помощью глаубе­ровой соли (кристаллогидрата сульфата натрия), которая плавится при подводе теплоты и затвердевает при ее отводе (при 32 °С). Ко­
личество аккумулируемой теплоты достаточно для покрытия тепло - потребления дома-в течение 10 дней.

Дом в г. Денвер в горах штата Колорадо (40° с. ш„ США) жи­лой площадью 186 м5 снабжен воздушным солнечным коллектором площадью 56 м2. установлецным на крыше (рис. 40,а). Коллектор состоит из наполовину зачерненных стеклянных пластин, установлен-

Б: I — корпус; 2 — теплоизоляция; 3 — стеклянные пластины; 4 — стекло; в: 1 — коллектор; 2 — аккумулятор теплоты; 3 — вентилятор; 4 — воздуховод; 5— распределение теплого воздуха

Тором на крыше показан на рис 41, а. Гибридная пассивно-активная гелиосистема предназначена для отопления и горячего водоснабже­ния. Недостающая энергия подводится от электронагревателей, раз­мещенных в баке-аккумуляторе системы горячего водоснабжения и внутри отапливаемых помещений. Включение и выключение элект­ронагревателей происходит автоматически по сигналу, поступающе­му от системы управления, содержащей датчики температуры, регуляторы и термостаты. Схема гелиосистемы приведена на рис, 41,6.

А — внешний вид дома; б —схема гелиосистемы; 1 — солнечный коллектор на крыше дома; 2— расширительный бак; 3— аккумулятор-подогреватель с элект­рическим дублером; 4 — регулятор; 5 —вентиль; в —насос; 7 — аккумулятор с теплообменником; в —радиаторы; 9 — электронагреватель; 10 — датчик тем­пературы