Солнечное водяное отопление

Описание и основные компоненты

Cолнечная водяная система отопления в целом высокотехнологичнее и комфортнее, чем воздушная. Вода обладает намного большей удельной теплоемкостью, чем воздух, поэтому сечение трубопроводов намного меньше, чем воздуховодов. В этом и заключается основное преимущество водяной системы отопления. Второе преимущество в отсутствии каналов и полостей для циркуляции воздуха, в которых может скапливаться пыль или завестись живность. Но есть и недостатки. В первую очередь, вероятность протечек. Вода является главным врагом строительных конструкций и может привести к их разрушению. Во-вторых, температурные колебания ниже 0⁰С и выше 100⁰С приводят, соответственно, к замерзанию и закипанию теплоносителя. У этих проблем, конечно же, есть решение, но оно приводит к некоторому усложнению и удорожанию системы отопления. В частности, требуется устройство теплообменника между контуром циркуляции в солнечных коллекторах и контуром отопления. Третий момент — стоимость. Она, как правило, выше, чем у воздушной системы отопления.

Основные черты водяной системы отопления солнечного дома:

• 100% круглогодичное покрытие теплозатрат на отопление и горячее водоснабжение за счет солнечной энергии;
• Отсутствие традиционного котла и радиаторов;
• Независимость от газа, угля, дров, дизтоплива и других традиционных энергоресурсов. Отсутствие необходимости в складировании запаса топлива. Зависимость только от электроэнергии для работы циркуляционных насосов и электромагнитных клапанов системы отопления. Зависимость устраняется установкой автономной системы энергообеспечения небольшой мощности на базе инвертора, фотоэлектрических панелей и блока аккумуляторов;
• Теплоотдача самым комфортным и безопасным для человека способом – лучистым излучением тепла от пола или стен;
• Система отопления является низкотемпературной, что сводит к минимуму теплопотери;
• Сезонный теплоаккумулятор огромной теплоемкости обеспечивает накопление и хранение летнего тепла на зимние месяцы;
• Вспомогательный источник тепла – встроенный электроподогрев в баке-теплоаккумуляторе горячего водоснабжения, а также камин с водяной рубашкой;
• Система отопления работает летом как система охлаждения.

Основные компоненты системы солнечного водяного отопления:

1. Контур поглощения солнечной энергии — солнечный коллектор, интегрированный в южный фасад и кровлю
2. Сезонный грунтовый теплоаккумулятор
3. Внутристенное отопление или «теплый пол»
4. Контур охлаждения
5. Блок управления
6. Вспомогательные источники отопления

Рассмотрим их по порядку.

Контур поглощения солнечной энергии представляет собой систему труб, расположенных в пространстве между подкровельной пленкой и кровельным покрытием. В качестве кровельного покрытия используется профнастил, на который установлено прозрачное покрытие из сотового поликарбоната или закаленного стекла для большей тепловой эффективности.

Сезонный теплоаккумулятор предназначен для накопления тепловой энергии преимущественно в теплое время года. Благодаря огромной теплоемкости 615,6 МДж/⁰К и хорошей теплоизоляции он способен хранить тепло несколько месяцев и использовать его для отопления дома зимой. Теплоаккумулятор, расположенный непосредственно под жилым домом, представляет собой отдельные участки труб, уложенные слоями в утрамбованный грунт. Т.к. в течение суток и в разное время года температура поступающей в теплоаккумулятор воды может существенно отличаться, весь объем теплоаккумулятора разделен на три температурные зоны: в центре — зона температуры более 40⁰С, далее — средней температуры 30⁰С-40⁰С, а по наружному периметру — самая низкая температура — менее 30⁰С. Таким образом, во всем объеме теплоаккумулятора поддерживается температурная стратификация. Распределение потоков воды разной температуры по зонам происходит в автоматическом режиме и контролируется блоком управления.

Внутристенное отопление. Такой вид отопления считается самым комфортным для человека. В помещениях нет никаких батарей, конвекторов, дефлекторов воздуховодов и т.п. Трубы отопления находятся в толще стены. Обогрев дома происходит всей площадью наружных стен. При такой большой площади поверхности нагрева температура теплоносителя может не превышать 25⁰С, что уменьшает теплопотери. В отличие от теплого пола, при ходьбе по которому человек может испытывать некоторый дискомфорт при температуре поверхности пола выше 28⁰С, теплые стены буквально обволакивают человека лучистым теплом. Как известно из физики, тепловая энергия передается от более нагретого предмета к менее нагретому. В нашем случае при теплых стенах человек не теряет свою тепловую энергию и комфортно себя чувствует при температуре воздуха на несколько градусов ниже, чем с другими способами отопления. Это опять же способствует экономии тепловой энергии. Площадь наружных стен, как правило, в 2 раза больше площади пола, поэтому и общая теплоотдача у стен выше. К тому же температуру теплоносителя в стенах можно изменять в широких пределах, и, таким образом, гибко регулировать тепловую мощность. У теплого пола эта возможность ограничена, т.к. температура поверхности пола не должна превышать 28⁰С зимой и быть не ниже 20⁰С летом. Т.к. теплые стены сами являются отопительным прибором, они работают как тепловой буфер и полностью отсекают теплопотери изнутри наружу через стены.

Контур охлаждения. Контур охлаждения представляет собой трубу, уложенную в грунт на глубину 1,8-2,0 м. На этом уровне температура даже летом стабильна и находится в пределах 10-14⁰С. Циркулирующая в нем вода охлаждается до 15-20⁰С. После охлаждения она направляется во внутристенные трубы. Как и отопление, система охлаждения является наиболее комфортной для человека, т.к. процесс охлаждения происходит за счет передачи тепловой лучистой энергии от человека к охлажденным стенам, а не за счет движения холодного воздуха из кондиционера, который может стать причиной дискомфорта и простудных заболеваний, не говоря уже о распространении пыли и микробов. С таким типом охлаждения отсутствует проблема конденсата, т.к. разница температур стены и циркулирующей воды не более 10⁰С. Этого вполне достаточно для охлаждения всего дома ввиду большой площади охлаждающей поверхности наружных стен.Блок управления  представляет собой набор циркуляционных насосов для разных контуров, трехходовых электронно-управляемых клапанов, температурных датчиков, контрольно-измерительных приборов и др. оборудования. Здесь же расположен вспомогательный источник отопления — он же бак-теплоаккумулятор системы горячего водоснабжения. В качестве вспомогательного источника отопления используется также камин с водяной рубашкой. Весь этот набор оборудования работает полностью в автоматическом режиме. На основании показаний температурных датчиков открываются/закрываются определенные клапаны, включаются/выключаются определенные циркуляционные насосы и теплоноситель направляется в определенный контур для отопления/охлаждения всего дома круглогодично. Настройка системы производится единожды во время монтажа, и далее работает полностью в автоматическом режиме, не требуя вмешательства, кроме периодического технического обслуживания.

Функционирование системы

Система солнечного водяного отопления способна работать в нескольких режимах:

1. Режим отопления в солнечную погоду;
2. Режим накопления тепловой энергии в солнечную погоду;
3. Режим отопления в пасмурную погоду и в темное время суток;
4. Режим летнего охлаждения.

Рассмотрим эти режимы подробнее.

1. Режим отопления в солнечную погоду

В этом режиме система направляет всю тепловую энергию, полученную от солнечного коллектора на отопление дома. Горячая вода, нагреваясь в коллекторе, направляется насосом в блок управления. Блок управления на основании показаний температурных датчиков направляет воду строго определенной температуры в контур внутристенного отопления. Система работает таким образом, что горячая вода в контур внутристенного отопления поступает снизу. Как известно, прохладный воздух всегда находится снизу, а теплый сверху, поэтому горячая вода нагревает в первую очередь нижнюю часть стены, а та, в свою очередь, нижние слои воздуха в комнате. Верхние теплые слои воздуха при этом нагреваются меньше. Таким образом, система внутристенного отопления выравнивает температуру по всей высоте помещений в доме и создает максимальный комфорт для людей. Охладившись в стенах, вода вновь поступает в блок управления. Цикл повторяется.

2. Режим накопления тепловой энергии в солнечную погоду

Когда температура помещений достигает заданной величины, тепловая солнечная энергия направляется в теплоаккумулятор. В зависимости от температуры входящей воды, она направляется через блок управления в три контура с разной температурой. Самая горячая с t>40⁰С идет во внутреннюю часть теплоаккумулятора, теплая вода 40⁰С>t>30⁰С направляется в среднюю часть, а относительно прохладная с t<30⁰С идет в наружную часть теплоаккумулятора. Таким образом, минимизируются теплопотери в грунт и сохранается температурная стратификация во всем объеме теплоаккумулятора.

3. Режим отопления в пасмурную погоду и в темное время суток

При отсутствии поступления солнечной энергии тепло для обогрева дома поступает из теплоаккумулятора. Т.к. температура воды 25-30⁰С для внутристенного отопления вполне достаточна, то тепловая энергия сначала расходуется из наружного самого прохладного контура теплоаккумулятора. По мере его охлаждения, вода начинает поступать из среднего, а потом и из внутреннего самого горячего контура теплоаккумулятора. Таким образом, зарядка и охлаждение происходят в обратном порядке.

4. Режим летнего охлаждения

В летнюю жару может потребоваться режим охлаждения, для этого система отопления трансформируется в систему охлаждения. В этом режиме в стенах циркулирует прохладная вода, которая охлаждается в подземном контуре охлаждения. Т.к. температура грунта на глубине 1,8-2,0 м даже в летнюю жару держится на уровне 10-14⁰С, то охладить ее до температуры 15-20⁰С проблем не составляет. Прохладные стены охлаждают помещения дома самым комфортным из известных способом — поглощением теплового излучения от всех нагретых тел, в т.ч. и от человека. Т.е. вода через стены забирает в себя излишки тепла и уносит их в грунт. Система охлаждения спроектирована таким образом, что охлажденная вода подается на охлаждение стен сверху вниз, т.е. в направлении, противоположном тому, которое используется при отоплении. Это необходимо для достижения большего комфорта в помещении, т.к. теплый воздух всегда находится в верхней части комнат, поэтому в первую очередь охлаждается именно он. Таким образом, выравнивается разница температур по высоте помещений. Следует заметить, что система охлаждения работает летом одновременно с накоплением тепла в теплоаккумуляторе. Система спроектирована так, что эти два процесса протекают одновременно и не мешают друг другу.

Система горячего водоснабжения

Система горячего водоснабжения тесно интегрирована в систему отопления. Она представляет собой теплоизолированный металлический бак-теплоаккумулятор с теплообменником.Из солнечного коллектора горячий теплоноситель нагревает вначале горячую воду для бытовых нужд, и только после этого направляется в контур отопления. Если дом достаточно прогрет, излишки тепла направляются в теплоаккуммулятор и только после теплоаккумулятора, полностью охлажденная вода снова направляется в солнечный коллектор. Весь процесс полностью автоматизирован и управляется с помощью блока управления.