В качестве теплоносителя в системе солнечного отопления используется воздух. Солнечные коллекторы нагревают его и направляют для отопления дома или нагрева теплоаккумулятора. Воздушный тип системы солнечного отопления — самый простой и дешевый способ реализации солнечного обогрева дома.
Основные черты системы воздушного отопления
- Тип системы отопления – воздушная солнечная раздельная, т.е. технический воздух не смешивается с воздухом помещений
- Воздушный подогрев пола первого этажа
- Воздушные солнечные коллекторы, интегрированные в кровлю и южный фасад дома.
- Водяной сезонный теплоаккумулятор большой теплоемкости.
- Вспомогательный источник тепла – камин и инфракрасное пленочное отопление в санузлах.
- Запас мощности — 30 % для самых холодных зимних месяцев – декабря и января.
Основные компоненты системы солнечного отопления
- Солнечные водушные коллекторы, интегрированные в кровлю и южный фасад
- Водяной теплоаккумулятор
- Система распределения воздуха
Особенностью системы солнечного воздушного отопления является то, что все ее элементы встроены в здание и являются его неотъемлемой частью. Это сводит к минимуму количество воздуховодов и теплопотери при хранении и перемещении тепловой энергии. Важным преимуществом системы отопления является то, что она раздельная, т.е. воздух в комнатах не смешивается с техническим воздухом, используемым в качестве теплоносителя и циркулирующим через солнечные коллекторы, теплоаккумулятор и подполье.
Хотя устройство раздельной системы отопления конструктивно несколько сложнее по сравнению с обычной, в которой воздух циркулирует непосредственно через помещения, она имеет ряд преимуществ:
- Движущийся воздух не переносит и не накапливает пыль, бактерии и микроорганизмы, имеющиеся в каждом доме.
- Движение воздуха не причиняет дискомфорта находящимся в доме людям дополнительным шумом и ощущением сквозняка.
- Устройство раздельной системы отопления не предусматривает устройство множества воздушных каналов, особенно горизонтальных, в которых со временем возможно скопление пыли.
- Единственный воздушный горизонтальный канал, который находится под самым коньком крыши, имеет достаточный размер для обслуживания и проведения уборки.
Солнечные воздушные коллекторы
Солнечные коллекторы для отопления интегрированы в южный фасад (2 шт. по 14,2 м2 ) и южный скат кровли (76,5 м2). В дополнение к ним остекление зимнего сада с южной стороны общей площадью 34,12 м2 напрямую пропускает солнечную энергию в дом.
Вертикальные солнечные коллекторы на южном фасаде важны по двум причинам:
- в зимние месяцы интенсивность солнечной радиации на вертикальную поверхность выше, чем на поверхность кровли с наклоном 38о;
- в случае выпадения снега, когда солнечный коллектор на кровле полностью закрыт, вертикальные коллекторы остаются чистыми и нагревают воздух с первыми лучами утреннего солнца. Теплый воздух поднимается и поступает в наклонный солнечный коллектор на кровле, подогревает его, растапливает снег, и коллектор начинает работать. Любые другие плоские коллекторы или вакуумные трубки, установленные на наклонной кровле, лишены такого преимущества и начинают работу намного позже.
Наклонный солнечный коллектор для отопления представляет собой многослойную кровлю. Основным элементом, поглощающим солнечную тепловую энергию является перфорированный оцинкованный металлический лист цвета «антрацит», закрытый светопрозрачным материалом.
На наклонный солнечный коллектор возможна установка полупрозрачного тента для предотвращения летнего перегрева. При необходимости он разворачивается весной и сворачивается осенью в рулон по направляющим. Полупрозрачный тент предназначен для частичного проникновения солнечных лучей для нагрева горячей воды и для летнего охлаждения. Тент одновременно перекрывает и наклонное остекление зимнего сада, который играет важную роль в отоплении зимой. Через большую площадь его остекления солнечные лучи нагревают непосредственно внутренние поверхности в помещениях первого этажа. Это элемент так называемого пассивного солнечного отопления. Вертикальные солнечные коллекторы, расположенные на южных стенах, специальных мер по затенению не требуют, т.к. затеняются большим свесом кровли. Зимой же этот свес не препятствует низким зимним солнечным лучам нагревать коллекторы. Конструкция солнечных коллекторов и свеса кровли тесно взаимосвязаны и их параметры рассчитаны с помощью компьютерной программы.
Сезонный теплоаккумулятор
Центральный теплоаккумулятор цилиндрической формы расположен в центре дома. Его высота составляет 7,5 м, а внутренний диаметр 2,78 м. Весь внутренний объем занимают отдельные емкости с водой, размещенные с зазорами для циркуляции воздуха. Вода является самым дешевым из веществ с высокой удельной теплоемкостью. Объем воды в теплоаккумуляторе составляет 19 м3. Ее теплоемкость 79,8 МДж/0К плюс теплоемкость стен 51,2 МДж/0К, итого 131 МДж/0К. Поверхность теплообмена 733 м2. Этого более чем достаточно для эффективного теплообмена в теплоаккумуляторе.
Теплоаккумулятор передает тепло помещениям двумя способами:
- воздушным потоком
- через свои стены непосредственно в помещения
Система движения воздушных потоков спроектирована таким образом, что при зарядке теплоаккумулятора горячий воздух движется сверху вниз, а при разрядке – в обратном направлении. Это обеспечивает хорошую температурную стратификацию по всей высоте теплоаккумулятора: т.е. в верней части он всегда горячий, в нижней – прохладный. Именно в верхней части находится бак предварительного нагрева горячей воды, и из верхней части производится забор горячего воздуха для отопления. А нижняя прохладная часть обеспечивает максимальный отбор тепловой энергии у горячего воздуха, поступающего из солнечных коллекторов. Таким образом, повышается эффективность всей системы.
Стены теплоаккумулятора на уровне первого и мансардного этажей изготовлены из тяжелого материала с высокой теплоемкостью: кирпича, самана, бетона. Нагреваясь сами, стенки передают тепло помещениям. В верхней части теплоаккумулятор хорошо теплоизолирован, потому что, во-первых отопление чердака не требуется, во-вторых, летом там поддерживается температура около 50оС для нагрева бака ГВС. Хорошая теплоизоляция и наличие технического этажа над мансардным препятствует летнему перегреву помещений мансарды. В случае, если температура поднимается выше 60оС, открываются специальные вентиляционные отверстия в восточном и западном фронтонах дома. За счет сквозняка температура быстро понижается до оптимальной.
Функционирование системы
Система солнечного отопления полностью автоматизирована и работает в четырех основных режимах:
- Нагрев дома в солнечный день
- Нагрев теплоаккумулятора
- Отопление дома от теплоаккумулятора
- Летний режим охлаждения
1. Нагрев дома в солнечный день.
Сначала воздух нагревается в двух вертикальных солнечных коллекторах, расположенных на южном фасаде дома. Поднимаясь, он поступает в большой наклонный коллектор, встроенный в кровлю. По мере нагрева воздух поднимается вверх почти до конька кровли, попадает в чердачный воздуховод, по которому движется к центру дома. Далее по вертикальному воздуховоду в обход теплоаккумулятора подается непосредственно в подполье, циркулирует там и нагревает бетонный пол первого этажа. Бетонный пол, в свою очередь, нагревает жилые помещения самым комфортным для человека способом – тепловым излучением. Далее остывший воздух опять направляется в солнечные коллекторы. Второй этаж нагревается за счет конвекции теплого воздуха первого этажа.
2. Нагрев теплоаккумулятора.
Когда помещения уже достаточно прогреты, теплый воздух начинает нагревать теплоаккумулятор. Этот режим работает в основном осенью и во второй половине зимнего солнечного дня, когда в доме тепло и требуется накопление тепла на будущее. Горячий воздух, проходя через теплоаккумулятор, нагревает его. Опускаясь вниз, воздух постепенно отдает свою энергию и внизу максимально охлаждается. Из нижней части теплоаккумулятора воздух направляется опять к солнечным коллекторам. Цикл повторяется. При этом движение воздушных потоков организовано так, что избыточного нагрева бетонного пола первого этажа не происходит. Следует также отметить, что оба потока воздуха, для нагрева теплоаккумулятора и отопления первого этажа, могут протекать одновременно. Они могут также плавно менять свою скорость и перераспределять тепловой поток в зависимости от температуры помещений, теплоаккумулятора и горячего воздуха на выходе из солнечного коллектора. Если, скажем, температура поступающего воздуха 600С, то подача всего воздуха на отопление быстро приведет к перегреву жилых помещений. В тоже время неразумно терять драгоценное тепло, поэтому часть воздуха направляется в теплоаккумулятор. Контроль этого процесса полностью автоматизирован, и не требуется никакого вмешательства человека. На основании показаний температурных датчиков дифференциальный термостат плавно регулирует скорость вращения вентиляторов, направляющих теплые воздушные потоки в том или ином направлении.
3. Отопление дома от теплоаккумулятора.
Этот режим работает ночью и в пасмурные зимние дни. В ночном режиме или при затяжной облачной погоде, когда нет поступления солнечного тепла или оно незначительно, теплый воздух для отопления дома поступает из теплоаккумулятора для нагрева бетонного пола первого этажа. При этом поток воздуха в теплоаккумуляторе меняется на противоположный тому, который протекал при его зарядке теплом. Это также поддерживает хорошую температурную стратификацию по всей высоте теплоаккумулятора, сохраняя его верхнюю часть всегда горячей.
4. Режим охлаждения.
Система отопления может также функционировать в режиме летнего охлаждения. Для этого предполагается устройство грунтового теплообменника, представляющего собой специальную трубу диаметром 250 мм, размещенную в грунте на глубине 1,5-1,8 м. Когда температура воздуха в помещениях становится слишком высокой, наружный воздух для вентиляции начинает поступать в дом через грунтовый теплообменник. Т.к. температура грунта на такой глубине практически постоянна – 4-8оС, то при длине трубы порядка 70 м горячий летний воздух будет охлаждаться с 38оС до 15оС. Далее возможны 2 схемы охлаждения дома:
Первый вариант
Охлажденный свежий воздух из грунтового теплообменника подаётся в помещения через решетки в полу первого этажа, охлаждает первый этаж, и, нагреваясь, поднимается на второй этаж, вытесняя теплый воздух. Отток теплого воздуха происходит из верхней части каждой комнаты мансардного этажа через воздухозаборники, откуда он попадает в солнечные коллекторы. Нагреваясь в коллекторах, воздух движется вверх, создавая естественную тягу, и, в конце концов, выходит наружу через щель в верхней части кровли. Таким образом, система солнечного отопления превращается в систему солнечного охлаждения, при этом она работает полностью автоматически без электричества и каких-либо механических движущихся частей, только за счет солнечной энергии и законов физики. Как только восходит солнце и коллекторы начинают нагреваться, в них возникает тяга и воздух выходит из них, создавая в доме некоторое разряжение. При закрытых окнах и дверях, воздуху неоткуда поступать в дом, он втягивается через грунтовый теплообменник и распределяется по этажам.
Второй вариант
Холодный свежий воздух подается в верхнюю часть комнат второго этажа, а отток воздуха – из нижней части первого этажа, и далее – в солнечные коллекторы и наружу. Для подачи свежего воздуха в этой схеме уже потребуется вентилятор, т.к. мощности коллекторов для вентилирования всего дома недостаточно. Коллекторы работают только для вытяжки теплого воздуха, а для подачи холодного воздуха используется вентилятор системы отопления, работающий летом в реверсном режиме.
Следует отметить, что первый вариант проще по устройству и экономичнее в эксплуатации, но уступает второму в плане комфорта. В первом варианте при поступательном движении воздуха снизу вверх и его постепенном нагреве первый этаж всегда прохладнее второго. Во втором варианте холодный воздух при подаче сверху постепенно опускается и перемешиваться с теплым воздухом, расположенным ниже. Постепенно перемещаясь вниз, он равномерно охлаждает оба этажа, и в конце концов уходит из нижней части помещений первого этажа через специальные воздухозаборники.
Система ГВС
В верхней части теплоаккумулятора, где всегда максимальная температура, расположен металлический бак предварительного нагрева горячей воды. Бак устроен без изоляции для непосредственного нагрева воды горячим воздухом, поступающим из солнечных коллекторов.
Бак служит для предварительного нагрева воды до температуры 40-50 С, что в большинстве случаев достаточно для бытовых нужд. В дополнение к этому после бака установлен резервный проточный электрический водонагреватель.