Применение солнечной энергии

Проект Кембриджского солнечного дома. Целью

проекта, предложенного Пайком из отделения архитек­туры Кембриджского университета в 19^1 г., являлось достижение полного самообеспечения или удовлетворе­ния собственных энергетических нужд [35, 36]. Исходя из предположения, что на протяжении следующих деся­ти лет цены на нефть, газ, электричество и продоволь­ствие могут возрасти в четыре раза, что площадь част­ных земельных участков может увеличиться до 0,4 гек­тара в расчете на одну семью и что трехдневная рабо­чая неделя может стать нормой, он решил, что в семь­ях может возникнуть стремление самообеспечиваться - энергией, водой и продовольствием. Исследования, вы­полненные с помощью ЭВМ отделом технических ис­следований под руководством Пайка, показали, чтя существование такого дома теоретически возможно] В расчетной модели учитывался генератор с приводом от ветродвигателя, а также занимающий всю поверх-^ ность обращенной к югу крыши солнечный коллектор] из которого вода поступала в расположенный в подва­ле бак-аккумулятор емкостью 40 м3. Главной отличиї тельной чертой проекта является возврат к идее «вик­торианской оранжереи», поскольку примерно половина всего объема под застекленной крышей образует закры] 90

тую веранду, простирающуюся над всей обращенной к югу частью дома. В холодный период это пространство может быть отделено от жилых и спальных помещений изолированными ставнями.

Расчеты, основанные на имеющихся данных по сол­нечной радиации и скорости ветра, показали, что 25% солнечной радиации, падающей на крышу, может быть использовано для отопления внутренних помещений. Эта цифра значительно ниже, чем можно было ожи­дать, но при моделировании на ЭВМ предполагалось, что вода, проходящая через солнечные коллекторы, ис­пользуется только в тех случаях, когда ее температура нj выходе из коллектора превышает температуру воды в баке-аккумуляторе. Воду в бак-аккумуляторе можно подогревать также за счет электроэнергии, вырабаты­ваемой ветрогенератором, в тех случаях, когда она не используется для удовлетворения других бытовых энер­гетических нужд, и в основном при моделировании рабочих режимов в зимний период принималось, что большая часть отопительной нагрузки обеспечивалась тепловым насосом с^ириводом от ветрогенератора. В ра­боте выполнено подробное моделирование большого числа рабочих режимов предварительного проектного варианта системы, но отсутствие к концу 1976 г. кон­тракта с какой-либо фирмой помешало перейти к уточ­нению схемы.

Солнечный дом в Гранаде. В январе 1976 г. Гранад­ская телевизионная компания продемонстрировала се­рию передач о переоборудовании старого дома в обо­греваемый за счет солнечной энергии дом с четырьмя спальнями. Были рассмотрены также многие вопросы экономии энергии, в которых нашли отражение наибо­лее сложные результаты научных исследований в обла­сти строительства солнечных домов, такие как исполь­зование тепла отработанной горячей воды и вентиляци­онной системы. Испробованы различные типы изоляции, включая мат из стекловолокна толщиной 50 мм, плиту из пенополистирола толщиной 50 мм, обычное стеклово­локно толщиной 100 мм или полужесткую плиту раз­личных размеров [37] из минеральной ваты толщиной 100 мм, обшитую деревянными рейками и облицован­ную досками. Согласно Строительным правилам Вели­кобритании (1975 г.) максимальный годовой расход энергии на отопление дома должен составлять

45 230 кВт-ч, но если позаботиться о двойном остекле­нии и внимательно относиться к вентиляции, а также к изоляции, то его можно снизить до 21 910 кВт-ч. На рис. 4.10 графически представлен теоретический годо­вой энергетический баланс дома для средних погодных условий. Заштрихованный участок обозначает долю рас­хода энергии на отопление, обеспечиваемой от допол­нительного источника, и составляет 3680 кВт-ч при

температуре внутри жилого помещения 19,5° С и общим КГТД коллектора 30% • Доля различных источников тепла в обеспечении суммарной годовой отопительной нагрузки показана в табл. 4.1.

На рис. 4.11 показаны солнечная крыша в момент проведения на ней работ (юго-запад) и северо-западная сторона дома с пристройкой, крытой черепицей, в кото­рой размещены бак-аккумулятор емкостью 3000 л с на­гретой солнцем водой и бак-отстойник емкостью 200 л. Северо-западная сторона дома имеет только одно окно, в то время как на длинной северо-восточной стороне (рис. 4.12) расположены три окна. Обе эти фотографии 92

і

Рис. 4.11. Северо-западная сторона солнечного дома в Гранаде.

сделаны во время установки солнечной крыши. Крыша площадью около 45 м2, сконструированная в соответст­вии с идеями Томасона, выполнена из стандартного рифленого алюминия, окрашенного черной матовой ак­риловой краской, и закрыта одним слоем стекла тол­щиной 4 мм. Из горизонтальной перфорированной тру-

Та б л и ца 4-1

Доля источников тепла в обеспечении отопительной нагрузки
солнечного дома в Гранаде

бы, уложенной под коньком крыши, вода. стекает струй­ками вниз по каналам.

Характерной чертой дома является большая оран­жерея, размещенная на уровне первого этажа на юго - западной стороне. По воздуховодам, проходящим под окнами спальни второго этажа, нагретый воздух из этой оранжереи может поступать непосредственно^в

помещения верхнего этажа дома. Поскольку для отоп-Я ления этого дома требовалось обеспечивать дополни-* тельно всего 20% общей отопительной нагрузки, можної рассматривать его как дом, на 80% обеспеченный эиер-1 гией за счет использования энергии солнца. Более под* ровное описание струйного коллектора приведено* в гл. 8.

Солнечные дома Бюро строительных исследований! (БСИ). В Бартфорде были разработаны три экспериЯ ментальных дома [38] для изучения трех основных меЯ тодов снижения энергетических затрат, а именно:! использование солнечной энергии, применение тепловоД го насоса и регенерация отработанного тепла. В отлиЯ чиє от концепции фирмы «Филипс», которая описана! ниже, здесь выбор можно сделать при одновременном* изучении трех различных вариантов, причем БСИ пола-* гает, что не существует единственного лучшего универ-* 94
сального решения. Характеристики домов будут регист­рироваться при регулировании условий и имитации засе­ления. За основу при создании солнечного дома (и дома, использующего регенерированное отработан­ное тепло) будет принят двухэтажный дом с деревянным каркасом на пять человек типа «Бреттон» [47], под­робно изученный БСИ в рамках проекта районного отопления в Бреттоне, Питерборо. Деревянный каркас

этих домов изготавливается на заводе, а наружные сте­ны выполняются из кирпича и облицованы досками. Изоляция крыши и наружных стенных панелей имеет толщину 92 мм и обеспечивает значение суммарного ко­эффициента потерь U приблизительно 0,29 Вт/(м2-К). Крыша солнечного дома наклонена под углом 42° к го­ризонтали с целью получить более высокий среднегодо­вой КПД коллектора по сравнению с КПД,' достигае­мыми в обычных домах типа «Бреттон» [47], у которых наклон крыши составляет 22,5°. Схема системы энерго­снабжения солнечного дома показана на рис. 4.13. К концу 1975 г. было опубликовано предварительное описание деталей проекта. Схема включала солнечную крышу площадью 22 м2 и хорошо изолированный бак, размещенный за пределами дома под землей. Отопле­ние осуществляется с помощью радиаторов, однако при­меняются радиаторы больших, чем обычно, размеров,

95

так что можно использовать воду при более низкой I температуре. Различные режимы работы выбираются в зависимости от того, какие условия являются преобла - I дающими. Когда бак-аккумулятор емкостью 35 м3 нахо-Ё дится при достаточно высокой температуре, радиаторы получают тепло от него. В других случаях они получаЯ ют тепло от изолированного бака емкостью 1 м3, кото-Я рый, в свою очередь, нагревается. с помощью неболь - I того электрического теплового насоса, включаемого в / сеть в ночное время и использующего бак-аккумулятор* емкостью 35 м3 в качестве низкотемпературного источ - [ ника. Система горячего водоснабжения для бытовых 1 нужд питается от бака-аккумулятора, емкость которого* 0,3 м3 является достаточной для 24 ч нормальной рабо-Я ты системы. Этот бак нагревается либо с помощью теп-1 лообмеиника, находящегося внутри бака-аккумулятора* либо с помощью небольшого теплового насоса, вклю-1 чаемого в сеть в ночное время. Особенность этой систе-Я мы с солнечным коллектором состоит в том, что энер-Я гия может быть передана в бак-аккумулятор емкостью* 35 м3 даже тогда, когда температура воды на выводе; из коллектора ниже, чем температура воды в баке-ак­кумуляторе. Это достигаемся благодаря использованию' второго теплового насоса.

В табл. 4.2 сравнивается годовое потребление энер­гии тремя рассматриваемыми домами с обычным домом;

Таблица 4.2І

щ

типа «Бреттон» [47] и домом со специальной изоля­цией.

Количество первичной энергии получено умножени­ем указанных выше значений потребляемой энергии на коэффициент эффективности использования электро­энергии, газа и нефти. Относительно высокие значения первичной энергии, полученные для дома с тепловым насосом и для солнечного дома, являются следствием того, что в этих домах полезная энергия обеспечивает­ся почти исключительно за счет электричества.

Ш-''