Описание и основные компоненты
Система представляет собой синтез водяной и воздушной систем отопления, максимально используя их преимущества и сводя к минимуму недостатки.
Система солнечного отопления состоит из двух контуров:
- внешний — для поглощения солнечной тепловой энергии через солнечные батареи на крыше дома
- внутренний — для хранения и передачи этой энергии на отопление дома.
В первом контуре используется воздух, во втором – вода. Главная причина использования двух теплоносителей в том, что оба оптимально выполняют свои функции в своем контуре, используя свои лучшие физические свойства. Воздух циркулирует во внешнем контуре, в солнечных батареях на южном фасаде дома, который подвержен значительным температурным колебаниям в течение суток от -30 до + 120 0С. Применение жидкого теплоносителя в этом контуре привело бы к удорожанию системы солнечного отопления в разы. Поэтому вода применяется только во внутреннем контуре хранения и распределения тепловой энергии, где температурные колебания незначительны. Как известно, вода имеет оптимальное соотношение теплоемкость/цена, поэтому ее применение в теплоаккумуляторе и контуре отопления-охлаждения технически эффективно и экономически оправдано.
Основные компоненты системы отопления:
1. Воздушные солнечные батареи, интегрированные в кровлю и южный фасад дома
2. Водяной теплоаккумулятор объемом 21 м3
3. Система внутристенного отопления-охлаждения
4. Контур охлаждения
5. Блок управления
6. Вспомогательный источник тепла – камин, электрический водонагреватель и встроенное инфракрасное пленочное отопление в санузлах.
Воздушные солнечные батареи для дома
составляют систему улавливания солнечной энергии для отопления дома. Они встроены в южный фасад и кровлю, и представляют с домом одно целое. Таким образом, солнечные батареи для дома выполняют сразу две функции:
- защитная ограждающая конструкция
- контур поглощения солнечной энергии
При этом они хорошо вписываются в архитектуру дома и подчеркивают его современный внешний вид.
Сезонный теплоаккумулятор
представляет собой систему взаимосвязанных между собой емкостей с водой, которые выполняют также две функции:
- теплообменник
- теплоаккумулятор
Теплообмен происходит по мере прохождения теплого воздуха из солнечных коллекторов сквозь емкости с водой, которые имеют общую площадь наружных поверхностей 285 м2. Благодаря такой огромной площади теплообмен происходит очень эффективно, воздух отдает максимум тепловой энергии воде. Эта же вода является теплоаккумулятором с общей теплоемкостью 88,3 МДж/0К плюс теплоемкость стен 51,2 МДж/0К, итого 139,5 МДж/0К. При полной зарядке теплоаккумулятора этого достаточно для поддержания комфортной температуры в доме в течение 23 суток.
Теплоаккумулятор имеет хорошую температурную стратификацию по всей своей высоте: т.е. температура в верней части – всегда высокая, в нижней – почти комнатная. Именно в верхней части находится бак предварительного нагрева горячей воды для бытовых нужд, и именно из верхней части производится забор горячей воды для контура отопления. А нижняя прохладная часть обеспечивает максимальный отбор тепловой энергии у проходящего воздушного потока, и таким образом повышает эффективность как теплоаккумулятора, так и солнечных коллекторов.
Система внутристенного отопления-охлаждения
Система представляет собой несколько контуров металлопластиковых труб в наружных стенах дома. Зимой она работает в режиме нагрева от теплоаккумулятора, летом — в режиме охлаждения, поддерживая идеальный микроклимат в доме на протяжении всего года. На сегодняшний день такая система солнечного внутристенного отопления является наиболее комфортной, эффективной, экологичной и экономичной из всех, которые были изобретены человечеством.
Контур охлаждения
является удобным дополнением системы солнечного отопления. Он представляет собой систему труб, уложенных в грунт на глубине 1,8-2,0 м, в которых летом охлаждается вода. Как и система отопления, система охлаждения также является наиболее комфортной и экономичной, особенно по сравнению с распространенными сейчас сплит-системами кондиционирования воздуха. Комфорт проявляется в том, что охлаждение человека и предметов в доме происходит за счет передачи тепловой энергии от человека к охлажденным стенам с помощью теплового излучения. Это чисто физический процесс предачи энергии от более нагретого тела к менее нагретому. Этот же эффект можно наблюдать, если летом спуститься в подвал. Мы чувствуем приятную прохладу: наше тело охлаждается, оно отдает излучением свою энергию прохладным стенам подвала. Происходит лучистый теплообмен. При этом нет дискомфортного конвективного теплообмена, охлаждения за счет движения холодного воздуха. По принципу конвективного теплообмена работают все бытовые кондиционеры. Эффективность при этом очень низкая, т.к. кондиционер охлаждает воздух, потом уже воздух охлаждает предметы, и человека в том числе. Но ощущение прохлады возникает с опозданием, потому что предметы теплее воздуха и передачи тепловой энергии излучением от человека к окружающим предметам не происходит. Охлаждение происходит только за счет движения холодных воздушных потоков, которые являются дискомфортными и часто приводят к простудным и аллергическим заболеваниям.
Кроме того, внутристенное охлаждение является намного экономичнее сплит-систем. Допустим, для охлаждения дома площадью 150 м2, пять жилых комнат, в летнюю жару понадобится пять кондиционеров общей мощностью около 4,5 кВт. В то же время внутристенная система охлаждения работает с помощью всего двух циркуляционных насосов общей мощностью всего 90 Вт, т.е ровно в 50 раз меньше . Как говорится, почувствуйте разницу.
Идеальным вариантом автоматизации системы охлаждения является установка маломощной фотоэлектрической солнечной панели, которая напрямую подключена к циркуляционным насосам системы охлаждения. Что происходит в первой половине дня? Восходит солнце, постепенно увеличивается интенсивность его излучения, увеличивается и температура воздуха. Одновременно увеличивается количество вырабатываемой электроэнергии в фотоэлектрических солнечных панелях, которое прямо пропорционально интенсивности солнечного излучения. Возрастающая мощность электрического тока направляется на работу циркуляционных насосов, которые все более интенсивно прокачивают холодную воду через стены, тем самым противодействуя перегреву всего дома. В этом случае сама природа помогает автоматизировать процесс.
И, наконец, блок управления осуществляет контроль и управление всеми процессами: улавливания солнечной энергии, аккумулирования тепла, отопления и охлаждения. Блок управления работает полностью в автоматическом режиме.
Функционирование системы
Система солнечного отопления полностью автоматизирована и работает в трех основных режимах:
1. Нагрев теплоаккумулятора в солнечный день
2. Отопление от теплоаккумулятора
3. Летнее охлаждение
1. Нагрев теплоаккумулятора в солнечный день
Солнечные батареи нагревают воздух для дома, который проходит по ним под конек кровли, направляется к теплоаккумулятору и проходит сквозь него, отдавая свое тепло емкостям с водой. В верхней части теплоаккумулятора температура вседа выше, чем в нижней, и воздух, проходя через него, охлаждается максимально. Тем самым поддерживается необходимая температурная стратификация внутри теплоаккумулятора и максимальная производительность солнечных батарей для дома.
2. Отопление от теплоаккумулятора
Все емкости с водой соединены между собой системой трубопроводов таким образом, что горячая вода для отопления забирается из самой теплой верхней точки теплоаккумулятора. Через трехходовой вентиль с автоматическим управлением температурой теплая вода направляется в контур внутристенного отопления. Охладившись, она поступает в нижнюю самую холодную часть теплоаккумулятора. Поднимаясь вверх по теплоаккумулятору, холодная вода постепенно вытесняет горячую, которая в трехходовом вентиле подмешивается к циркулирующей в контуре отопления воде для поддержания необходимой температуры. Таким образом, теплоаккумулятор работает до тех пор, пока не сравняются его температура и температура в контуре отопления. Далее циркуляция через теплоаккумулятор отключается и автоматически подключается вспомогательный проточный электрический водонагреватель контура отопления. В качестве вспомогательного источника отопления используется также камин с водяной рубашкой, подключенный к системе отопления.
3. Режим летнего охлаждения
Серьезным преимуществом системы отопления является то, что ее можно использовать летом как систему охлаждения, повернув весной всего два вентиля. При этом к системе внутристенных трубопроводов подключается подземный контур охлаждения, а теплоаккумулятор отключается. Обратная операция производится осенью. Холодная вода с температурой 12-15 0С направляется в стены и постепенно охлаждает их во всем доме. Забрав излишки тепла в доме, она передает их грунту на глубине 1,8-2,0 м. На этой глубине температура круглогодично почти постоянна и находится в пределах 8-12 0С. Охладившись, вода снова направляется в стены. Температура воды для подачи в контур внутристенного охлаждения регулируется блоком управления для предотвращения подачи слишком холодной воды, что может привести к образованию конденсата в толще стены. Температура внутренней поверхности стены летом поддерживается на уровне 200С, при этом температура воздуха в помещении может достигать 25 0С. Человек чувствует себя при таких параметрах комфортно и уютно.
Система горячего водоснабжения
Система ГВС тесно интегрирована в систему отопления. Она представляет собой теплоизолированный металлический бак-теплоаккумулятор. Из солнечного коллектора горячий теплоноситель нагревает вначале горячую воду для бытовых нужд, и только после этого направляется в основной теплоаккумулятор. После него полностью охлажденный воздух снова направляется в солнечный коллектор. Весь процесс полностью автоматизирован и управляется с помощью блока управления.
