Переоборудование здания в солнечный дом

ВТ, 2003-07-29 14:29 — mensh

· солнечный дом |

· энергосбережение |

· солнечные коллекторы

Использование систем солнечного отопления и охлаждения в существующих домах должно стать одной из первоочередных задач. Это обеспечит не только реальное сокращение потребностей в ископаемом топливе, но и сэкономит значительные денежные средства.

Как и для новых зданий, переоборудование старых может осуществляться на различных уровнях технологической сложности, денежных и энергетических расходов и практического подхода.

Существуют три основных способа переоборудования зданий:

• крепление солнечных коллекторов к существующим или несколько видоизмененным наружным стенам или крышам домов;
• установка коллекторов на пристройку к зданию (крыльцо, гараж, новое крыло);
• строительство сооружения для размещения солнечных коллекторов отдельно от здания (отдельно стоящий сарай, гараж, амбар или сооружение, построенное исключительно для размещения коллектора.

Рис. 1. Размещение солнечных коллекторов применительно к существующим зданиям:
1 - на существующей крыше или стене; 2 - коллектор; 3 - только вертикальные стеновые коллекторы (для широт выше 35°с.ш.); 4 - на пристройке к зданию; 5 - на отдельной конструкции.

Из-за ограничений, связанных с использованием существующих зданий, ориентация и угол наклона солнечных коллекторов могут быть не оптимальными. Часто экономические соображения ограничивают возможность изменить имеющиеся условия применения коллекторов и тем самым суживают возможности оптимизации проекта. Конструкция солнечных коллекторов, используемых для нагрева воды, обладает несколько большей гибкостью благодаря меньшему размеру коллекторов. Этому способствует и режим круглогодичного их использования, поскольку положение солнечного диска на небосводе меняется в течение 12 месяцев гораздо больше, чем во время более короткого отопительного сезона. Коллекторы для системы солнечного охлаждения с трудом достигают требуемой эффективности даже в наилучших условиях инсоляции, и поэтому по возможности должны иметь оптимальную конструкцию и размещение, что затрудняет их приспособление к существующим зданиям. Для системы солнечного отопления размер коллектора должен быть более половины площади пола здания, но не менее 10 м². Для приготовления горячей воды коллектор может быть небольшим исходя из нормы 2,5...3 м² на человека.

Ориентация солнечных коллекторов для системы отопления должна быть в пределах от юг - юго-востока до юг - юго-запада и от юго-востока до юго-запада для системы приготовления горячей воды.

Угол наклона солнечных коллекторов для системы отопления помещений (измеряемый от горизонтали) может находиться в пределах α = φ + 10...15°, где φ — широта местности. Для 40° с.ш. пределы составляют 40...90°. Наклон солнечных коллекторов для системы горячего водоснабжения находится в пределах α = -10<φ<+25°. Для 40° с.ш. этот диапазон составляет 30...75°.

Во всех вышеуказанных пределах сезонная или годовая общая эффективность системы будет отличаться не более чем на 10...20 % от оптимальной.

Один из самых простых способов использования солнечного тепла при существующих крышах заключается в пропускании воды поверх гонтовой поверхности. Теплоприемная поверхность должна быть как можно более черной, при необходимости окрашенной и свободной от мусора. К стропилам крепятся рамы для двух слоем остекления и конструкционного материала (например, полиэфирной смолы, армированной стекловолокном) с учетом мер для предупреждения протечек.

Крышу можно также покрыть волнистыми алюминиевыми листами, окрашенными в черный цвет и закрытыми стеклом. Вода подается через перфорированную трубу вдоль конька крыши и собирается затем в желоб. Коэффициент полезного действия такого коллектора невелик, но незначительные затраты, связанные с превращением существующей крыши в солнечный коллектор, могут оправдать невысокий КПД.

На рис. 2 показаны некоторые детали возможной конструкции солнечного коллектора. Участки стен южной ориентации можно превратить в воздушные коллекторы примерно также, как это было сделано с крышами. Водяные коллекторы при размещении на стенах менее практичны, поскольку отсутствует наклонная поверхность, по которой вода может стекать.

Рис. 2. Переделка существующей крыши в солнечный коллектор водяного типа с открытым потоком:
1 - верхняя накладка; 2 - труба с перфорациями; 3 - два слоя стекла или другого прозрачного материала; 4 - холодная вода; 5 - фильтр (для асфальтовой крошки); 6 - нагретая вода, стекающая в желоб; 7 - конопатка (типовая); 8 - стекло; 9 - металлическая кляммера; 10 - гонт; 11 - фанера; 12 - стропило.

Во дворах вне дома солнечные коллекторы могут размещаться на отдельно стоящих конструкциях. Пример такого устройства показан на рис. 3. Прохладный воздух из дома отбирается через нижнюю часть окна в солнечный коллектор, а подается обратно в помещение через верхнюю часть окна. Устройство похоже на оконный кондиционер. Более высокая степень регулирования достигается путем подачи прохладного воздуха в коллектор из одного окна и возврата теплого воздуха в другое.

Рис. 3. Портативный солнечный коллектор воздушного типа, устанавливаемый во дворе.

При переоборудовании существующих зданий можно применить быстрый и достаточно дешевый метод установки простых солнечных коллекторов воздушного типа в оконной коробке. На рис. 4, 5, 6 представлены модификации вертикальных термосифонных солнечных коллекторов. Такие коллекторы предназначены для установки в проемы существующих окон. На рис. 4 показана конструкция, приписываемая Баку Роджерсу из г. Эмбудо (Нью-Мексико, США). Прохладный воздух из помещения засасывается в солнечный коллектор нагретым воздухом, который из коллектора поступает в помещение. Вертикальный вариант этой конструкции, показанный на рис. 5, особенно приемлем для крупных зданий.

Рис. 4. Солнечный коллектор, встроенный в оконную коробку:
1 - стена дома; 2 - окно; 3 - теплый воздух; 4 - прохладный воздух; 5 - стекло; 6 - коллектор; 7 - фанера; 8 - изоляция.

Рис. 5. Вариант устройства солнечного коллектора в оконной коробке:
1 - существующая стена дома; 2 - существующее окно; 3 - нагретый воздух; 4 - прохладный комнатный воздух; 5 - стекло или пластмасса; 6 - черная пластина коллектора; 7 - пол в помещении.

Хотя солнечный коллектор в оконной коробке может быть почти любого размера , его эффективность, даже и значительная, основываясь на площади, в действительности будет мала, если размеры коллектора существенно не превышают размеров окна. Если для обеспечения 50%-ной потребности в отоплении требуется солнечный коллектор размером 25...50% от площади пола здания, то должно быть ясно, что для заметной экономии энергии требуются большие коллекторы. На рис. 6 показан солнечный коллектор значительно превышающий размеры окна.

Рис. 6. Солнечный коллектор, превышающий по размеру оконную коробку.

Трудная задача дополнения существующих зданий аккумулятором тепла была практически решена Дж. П. Гуптой и Р. К. Чопрой из лаборатории министерства обороны (г. Джодхпур, Индия). Они разработали простой солнечный обогреватель комнат не требующий механической энергии и встраиваемый в существующие здания.

Рис. 7. Простой солнечный обогреватель комнаты:
1 - холодная вода; 2 - солнечный коллектор; 3 - солнечная радиация; 4 - горячая вода; 5 - перелив; 6 - стена; 7 - фанера; 8 - изоляция (сухая трава); 9 - глинобитная крыша; 10 - джутовая изоляция; 11 - воздушный зазор; 12 - отверстие для сообщения с атмосферой и заливки; 13 - кран; 14 - стекловата; 15 - бак; 16 - подставка для бака; 17 - дверь.

Как видно из рис. 7, солнечный коллектор южной ориентации наклонно опирается на стену здания. Высокий бак с горячей водой без теплоизоляции находится в помещении, примыкая хорошо изолированной стенкой к наружной стене. В результате естественной конвекции вода циркулирует из плоского коллектора в бак и обратно в коллектор. Если в данном климате возможны отрицательные температуры, в воду добавляется антифриз. Тепло в помещение бак излучает своей передней стенкой.