Системы теплообеспечения. 
Проектирование экологических домов

Традиционные для УЗБЕКИСТАНА строительства и энергосбережения, в сочетании с современными достижениями теплотехники, позволяют обойтись для обогрева и водоснабжения дома и даже зимних теплиц, ресурсами своего участка.

Все внутренние отапливаемые помещения в разных вариантах конструкции дома должны быть так теплоизолированы от внешней среды, чтобы теплопотери за год были меньше, чем количество тепла, которое можно получить за год от солнца и аккумулировать в доме. Особое внимание следует обратить на то, чтобы в конструкции корпуса не было мостиков холода.

утеплителя из этих материалов Для утепления дома наилучшими являются естественные, традиционно используемые утеплители, (солома, камыш, льняная костра, глина, опилки). Для производства не нужно энергоемкое и дорогостоящее производство. Кроме того, что они имеют наилучшие для человека экологические характеристики, они очень долговечны, если конструкция стены и крыши защитит их от намокания, и легко утилизируются после срока службы.

(Варианты защиты соломенного утеплителя от грызунов: засыпка сыпучим материалом зазора вокруг утеплителя из соломы, пересыпка известью, кедровой хвоей, облицовка мелкой металлической сеткой по низу и верху стены).

Высокая теплоизоляция добротно построенного дома приводит к тому, что теплопотери связаны, в основном, с вентиляцией. Правильно выполненные встроенный холодильник, погреб и ледник существенно повышают стабильность проживания в доме и независимость от внешних факторов.

Роль теплового аккумулятора, обеспечивающего тепловую инерцию дома, выполняет термическая масса, составляющая внутреннюю часть наружной стены, внутренних (межкомнатных) перегородок и межэтажных перекрытий. Этот пассивный аккумулятор тепла должен состоять из тяжелого материала, чтобы поддерживать постоянную температуру в доме при периодическом протапливании. Кроме того, внутренние стены могут и понижать температуру до оптимальной, аналогично тому, как это происходит в традиционной русской печке.

Замечания. В случае применения каркасной конструкции внешняя стена целиком состоит из легкого материала (утеплителя), тогда внутри дома необходимо устраивать специальную конструкцию, обеспечивающую необходимую тепловую инерцию — суточный аккумулятор, в котором могут быть расположены дымоходы, воздуховоды от солнечного коллектора или в него может быть встроен сам источник тепла. Эта система может быть выполнена из кирпича, бетона, грунтоблоков, а может быть выполнена в виде бака, заполненного водой. Масса этой системы определяется тем, какую тепловую инерцию здания мы хотим иметь. Например, ее можно определить, исходя из условий протапливания один раз в сутки при самых низких температурах (один раз в течение двух суток и т. д.).

В процессе жизнедеятельности человек готовит пищу, сам выделяет тепло, использует бытовые приборы для освещения, слушает музыку, смотрит телевизор, работает на компьютере. На первый взгляд эти источники выглядят незначительными, но при такой теплоэффективности, которой обладает экодом, они все вместе могут играть существенную роль в его обогреве. Расход невозобновляемых энергоносителей в энергоэффективном доме в несколько раз меньше, чем в обычном доме. В идеале дом должен обеспечиваться теплом только за счет возобновимых источников: дерево, солома, ветер, водные потоки, суточные и сезонные перепады температур, т. е. энергии солнца.

Для отопления наиболее эффективны печи медленного горения с каталитическим дожигом горючих газов, работающие на древесных отходах, а также воздушные и водяные солнечные коллекторы.

Газогенераторные печи имеют КПД (коэффициент полезного действия) 55−80%. Они оборудуются воздуховодами, обеспечивающими подачу теплого воздуха в разные помещения для их быстрого нагрева. Так как частный дом — это относительно небольшое здание, распределять тепло по дому можно с помощью естественной конвекции и лучистого обогрева. Получающийся горючий газ можно отводить и использовать для приготовления пищи или выработки электроэнергии. Эти печи легко совместить с суточным водяным аккумулятором, в котором можно дополнительно снять остаточное тепло дымовых газов. Зола является ценным удобрением.

Тепловой КПД традиционной русской печи достигает 90%. При этом вовсе не обязательно топить ее дровами. Главная проблема в настоящее время — требуется высокая квалификация мастера-печника.

«Неправильная» печь кроме избыточного потребления топлива еще и создает проблему избыточной или недостаточной влажности воздуха. А это одинаково вредно и для здоровья, и для сохранности вещей и конструкций.

Дом, построенный на основе тепло-эффективной конструкции, с февраля по май и с сентября по октябрь можно отапливать только за счет солнечной системы обогрева, основывающейся на простых (самостоятельного изготовления) воздушных солнечных коллекторах и воздуховодах с принудительной циркуляцией воздуха.

Биоклиматическое жильё предполагает возможность сбора солнечной энергии. На эту возможность влияет площадь и угол наклона поверхности кровли. Солнечная архитектура выгодна и уместна в зонах умеренного климата, не говоря уже о южных широтах, позволяет достигать высокой комфортности при одновременном снижении эксплутационных расходов.

По многолетним наблюдением метеорологов на широте Ульяновской области с апреля по сентябрь на квадратный метр поверхности падает около 300 000 МДж солнечной энергии. При завышенной норме энергопотребления на квадратный метр отапливаемого помещения 70 кВт-ч/год/кв. м годовое потребление энергии составит всего 25 200 МДж.

Т. о., солнечной энергии вполне достаточно для отопления круглый год и для горячего водоснабжения летом.

При этом система сезонного аккумулирования солнечного тепла может иметь КПД всего 10%.

Типичная система воздушного солнечного обогрева состоит из воздушного солнечного коллектора, воздуховодов, вентилятора. Если температура в помещениях недостаточна, то горячий воздух из коллектора попадает в комнату. Более холодный воздух из комнаты подается в воздушный коллектор и подогревается в нем. Если в помещениях тепло, то горячий воздух поступает в тепловой аккумулятор. Воздух начинает циркулировать, когда работает вентилятор, который приводится в действие солнечной батареей. Такая система удобна тем, что вентилятор работает только тогда, когда солнечная батарея вырабатывает электричество и именно в это же время солнечный коллектор нагревает воздух. Весной осенью система работает на нагрев помещения и на накопление тепла в суточном аккумуляторе. Летом эта энергия накапливается в сезонном аккумуляторе.

Воздушный солнечный коллектор — главный элемент системы воздушного солнечного обогрева.

Его конструкция очень проста. Теплоизолированная снизу зачерненная поверхность является дном плоского ящика. Сверху этот ящик закрыт стеклом или другим прозрачным материалом (в настоящее время часто применяются двухслойные пластиковые покрытия). Видимый свет поглощается зачерненной поверхностью, нагревает ее, а она, в свою очередь, нагревает воздух в коллекторе. Нагретый воздух подается в помещение.

Площадь воздушных коллекторов, необходимая для нагрева помещений определяется теплотехническими параметрами дома. В отсутствии солнца недостаток тепла компенсируется дровяной печью медленного горения с каталитическим дожиганием горючих газов.

Замечание. Воздушные коллекторы не обладают высоким коэффициентом полезного действия, но они просты и дешевы в изготовлении и в эксплуатации. Производство воздушных солнечных коллекторов не сложное. Для создания долговечных и устойчивых к погодным воздействиям в условиях сурового климата конструкций целесообразно использовать в качестве теплоизолятора пеностекло.

Рис. Воздушный солнечный коллектор с турбулизатором, повышающим эффективность нагрева воздуха.

Система приготовления горячей воды Основными источниками горячей воды для бытовых нужд в доме являются каталитическая печь медленного горения и водогрейная установка с водяными солнечными коллекторами.

Солнечные камины — важная составляющая дома, устанавливаются на крыше для нагрева воды и подачи её по трубам в ванную, душ и на кухню. Остатки горячей воды автоматика сбрасывает в резервный накопитель для обогрева помещений. Водогрейные системы, использующие солнечную энергию, бывают двух типов: с естественной и принудительной циркуляцией воды.

На Рис. представлена принципиальная схема системы приготовления горячей воды с естественной циркуляцией. Такие установки называются термосифоны. В них используется механизм естественно конвекции, которая возникает за счет того, что нагретая в солнечном коллекторе теплая вода легче холодной. За счет этого теплая вода поднимается в бак-аккумулятор, который необходимо размесить выше верхней части коллектора на высоту примерно 60 см.

Замечание. Эта система не требует перекачивающего насоса и электроэнергии, но накладывает ограничения на конструкцию и способы ее размещения в доме. Термосифонные водогрейные системы целесообразно применять для летнего душа, летней кухни и других подобных случаях.

Более удобна с точки зрения произвольного ее размещения водогрейная система с принудительной циркуляцией. Составными частями солнечной установки для подогрева воды с принудительной циркуляцией являются плоский коллектор, бак-аккумулятор, трубопроводы, насос и система управления. Эта система предусматривает автоматическое регулирование. Каждый раз, когда температура воды в верхней части коллектора становится выше температуры воды на дне бака-аккумулятора на заранее заданное число градусов, включается насос. Вода прокачивается по системе до тех пор, пока температура не выровняется в баке и коллекторе за счет нагрева или не снизится уровень солнечного излучения. В зимнее время в контуре через солнечный коллектор необходимо прокачивать жидкость, не замерзающую на морозе, а тепло в бак-аккумулятор передавать через теплообменник.

Рис. Система солнечного нагрева воды с принудительной циркуляцией.

Замечание. На данном этапе, когда еще не налажено производство такого оборудования, надо использовать подогреватели воды, использующие электричество, газ, дрова или их комбинацию. Для накопления необходимого объема горячей воды для бытовых нужд целесообразно использовать водяной суточный бак-аккумулятор.

При проектировании необходимо предусмотреть, чтобы летом эта система работала в автономном режиме, но в то же самое время водогрейная система должна являться составной частью отопительной системы дома.

Жидкостный солнечный коллектор Водяной солнечный коллектор — главный элемент системы солнечного нагрева воды. В отличие от воздушного, коллектор на жидком теплоносителе имеет замкнутую систему, которая включает коллектор и теплообменник. По этой системе циркулирует незамерзающая и не выделяющая при нагревании накипь жидкость. Теплообменник размещается в нижней части бака-аккумулятора.

Замечание. Жидкостной солнечный коллектор может использоваться тогда, когда тепловыделения больше теплопотерь. В условиях холодного климата это предъявляет повышенные требования к теплозащите водяного солнечного коллектора.

Суточный водяной аккумулятор тепла Суточный водяной аккумулятор тепла является активным элементом тепловой системы дома. Суточный водяной аккумулятор тепла устанавливается внутри дома, в том числе он может быть встроен в одну из межкомнатных перегородок. Аккумулятор представляет собой полую стену, в которой размещены баки, заполненные водой. Через эти баки проходят дымовые трубы от каталитической печи медленного горения, которые подогревают воду в баках. Принципиальная схема отопления приведена на Рис. 6.6. Источниками нагрева водяного аккумулятора кроме каталитической печи медленного горения, могут быть использованы система воздушного солнечного отопления и система солнечного подогрева воды. Внешняя теплоизоляция аккумулятора — деревянная, кирпичная или из газобетона, — служит для понижения температуры обогревающей поверхности примерно до 40 ^оС. Теплоизоляция обеспечивает медленное остывание бака-аккумулятора с тем, чтобы температура в комнате поддерживалась в приемлемом диапазоне температур.

Аккумулятор должен быть сконструирован так, чтобы можно было легко делать его профилактику, промывку, чистку.

Другие аккумуляторы тепла Тепловые аккумуляторы подразделяются на суточные и сезонные. Кроме многофункционального активного суточного водяного аккумулятора на практике используются пассивные аккумуляторы тепла из материалов с высокой теплоемкостью, например, кирпич или грунтоблоки, из которых построена печь, массив внутренней части ограждающих конструкций, межкомнатные перегородки, гравий, засыпанный в специальные контейнеры, грунт под домом. За счет теплопроводности такие аккумуляторы быстро теряют энергию. Их используют для увеличения тепловой инерции дома. Это выгодно, когда они выполняют функции конструктивного элемента дома, при простой конструкции и недорогом устройстве. Перспективны сезонные аккумуляторы, использующие для аккумулирования энергии вещества, в которых могут протекать обратимые химические реакции, сопровождающиеся поглощением и выделением тепла. Их главным преимуществом является то, что хранение энергии осуществляется в химических связях при обычных температурах любое количество времени. Применение именно этих аккумуляторов может сделать дом «солнечным» .

Замечание. Эффективное накапливание энергии в таких сезонных аккумуляторах требует достаточно высоких температур воздуха (~ 130 ^оС), что предъявляет высокие требованиях к солнечным коллекторам и теплоизоляции воздуховодов от коллекторов, хорошей теплоизоляции контейнеров, в которых находится рабочее вещество такого теплового аккумулятора.