Статті про облаштування саду
Розрахунок і пристрій теплоаккумулятора сонячного колектора сонячний обігрів будинку

Розділ. ЕКО опалення



Теплоаккумулятор покликаний накопичити зайве тепло, вироблене сонячним колектором, і рівномірно розподілити його на протязі доби або навіть декількох днів. Робити сонячний колектор без якого або теплового акумулятора немає великого сенсу (хіба що в розрахунку на теплову інерційність будинку). Але за логікою, слід робити такий комплекс з теплового акумулятора і сонячного колектора, який би забезпечував би будинок теплом хоча б одну ніч (після сонячного дня або хоча б декількох сонячних годин). А краще - на протязі декількох днів після хоча б одного сонячного дня.



Разом з тим, не варто наївно сподіватися тільки на сонячний обігрів в умовах середньої смуги Росії. Досить тривалий похмурий період з жовтня по лютий. короткий світловий день і маленький кут нахилу Сонця роблять сонячний обігрів в цей період досить проблематичним. Тому сонячний обігрів слід сприймати як спосіб економії витрат на опалення, а не повну альтернативу традиційному опаленню.



Теплоаккумулятор повинен представляти із себе досить теплоємність пристрій, здатний швидко акумулювати теплову енергію, досить довго його зберігати і віддавати на вимогу. Його теплоємність повинна відповідати як потужності сонячного колектора, так завданням, що стоять перед теплоаккумулятором. Взагалі кажучи, на Русі користувалися теплоаккумулятором здавна. Всі відома т.зв. «Російська піч». Це кілька тонн цегли і досить велика камера для горіння дров. Будучи інтенсивно протоплена в перебігу декількох годин, така піч зберігала тепло кілька діб! Чим вам не теплоаккумулятор?



Конструкція теплоаккумулятора визначається фізикою процесу. З сонячного колектора надходить повітря з температурою 40-60 градусів. Цим повітрям обдувається робоче тіло теплоаккумулятора. Воно нагрівається і коли треба, через нього починають продувати повітря, який потім направляють на обігрів приміщень.



Давайте розрахуємо, скільки тепла зможе виробити сонячний колектор (його умовний квадратний метр) і який теплоаккумулятор повинен йому відповідати. Припустимо, сонячний колектор ефективно освітлюється сонцем 6 годин. За цей час на нього падає приблизно 5 Квт теплової енергії. Це еквівалентно 18 МДж. Подивимося, як нам краще запасти цю енергію (ККД ми поки не враховуємо).



У переважній більшості випадків автори всіляких проектів рекомендують використовувати кам'яно-гравійні теплоаккумулятори. Це досить розумно. Матеріал вічний, ніяким впливам не схильний. Нічого не боїться. Але теплоємність каменю = 0,8 Кдж / кг * град. Що б купити заздалегідь всю енергію сонячного колектора, нам буде потрібно приблизно 750 кг. Каменів (за умови, що вихідна температура каменів була 20 градусів.)



750 кг. це не багато, десь 0,3-0,4 кубометра. Але запасеного тепла нам вистачить на опалення всього 2-х квадратних метрів площі (з розрахунку 100 ват / метр).



5000 Ватт / 24 години / 100 ват = 2,08 метра. (І це без урахування ККД і всіляких втрат).



А що б купити заздалегідь тепла на добу для будинку в 100 кв. метрів, нам буде потрібно відповідно в 50 разів більший сонячний колектор і в 50 разів більший теплоаккумулятор. Тобто сонячний колектор в 50 кв. метрів і акумулятор на 37,5 тонн. (Реально - тонн 50). Такий теплоаккумулятор буде займати об'єм вже в 20-25 кубометрів. І це всього лише заради опалення на 1 добу!



Якщо сонячна погода стоїть кілька днів поспіль, можна було б купити заздалегідь тепла по більше, але другий закон термодинаміки говорить, тепло не передається від більш холодного тіла до більш теплого у звичайних умовах. Тобто як тільки теплоаккумулятор нагріється до температури обдуває його повітря, він перестане поглинати і накопичувати тепло. Зробити теплоаккумулятор більш теплоємний можна або подальшим його нарощуванням за обсягом, або застосуванням більш теплоємних матеріалів.



Самим теплоємний (і безкоштовним) матеріалом є вода. Її теплоємність



4.2 ЯЖ / кг * град. Це в 5,25 разів більше, ніж у каменю. Тобто для того умовного метра сонячного колектора нам буде потрібно не 750 кг каменю, а приблизно 150 літрів води. (Для добового акумулятора і 50 метрового сонячного колектора відповідно бл. 7,5 тонн води.).



Але якщо організувати теплообмін між повітрям і камінням простіше простого (проклав повітропровід і завалив його камінням, повітря проходитиме в щілини між каменями і обмінюватися з ним теплом). Те зробити теплообмінник вода / повітря набагато складніше. Однак тут є дуже цікаве і дотепне рішення - створити штучні камені з теплоємністю води! Як? Так розлити воду з пластикових ПЕТ пляшки та каністри! Численні зазори між ними будуть тим самим теплообмінником вода / повітря.



Звичайно, пляшок і каністр буде потрібно досить багато для декількох десятків тонн води, та зате не потрібно робити ніякого теплообмінника.



Зрозуміло, людина, що задумала влаштувати у себе сонячне опалення з колектора і теплоаккумулятора, швидше за все буде виходити не з того, що треба або хочеться, а з того, що він може собі дозволити зробити. Якщо є дах певного розміру, з якої можна зробити сонячний колектор, то навряд чи він буде робити сонячний колектор спеціально (більшого розміру або в стороні від будинку). Те ж і з теплоаккумулятором. Адже це не бочка з водою для садового душа. Тут рахунок йде на кубометри. І влаштувати теплоаккумулятор з бухти - барахти навряд чи вдасться. Місце для нього треба заздалегідь резервувати на стадії проектування будинку. Чим я власне і займаюся ...



Отже, в моєму випадку. згідно проекту під теплоаккумулятор виділяється приблизно 60-65 кубометрів підвалу. Тут можна буде розмістити близько 50 тонн води (в каністрах по 10-20 літрів і т.п.) У теплооборот будуть так само включені приблизно 30 куб. метрів бетону (бл. 50 тонн) складових стіни підвалу теплоаккумулятора (їх планується утеплити з іншого боку для зменшення тепловтрат акумулятора).



Таким чином максимальна теплоємність мого теплоаккумулятора (для перепаду температур в 40 градусів складе 50.000 кг * 4,2 КДж * 40 + 50.000 кг * 0,8 КДж * 40 = 10.000 МДж (10 ГДж). Це еквівалентно спалюванню приблизно 600-1000 кг добірних дров (1,5-2 кубометра). Більше цієї кількості тепла я не зможу запасти навіть теоретично. Якщо врахувати що опалення буде потрібно близько 100 ват / година / кв.м. (0,36 МДж), то я зможу цим теплом обігріти 27000 кв.м / год. (тобто або 100 кв.метрів в перебігу 270 годин, або 200 кв. метрів протягом 135 годин, або 25 метрів протягом 1000 годин і т.д.). Зрозуміло це залежить від конструкції дому та організації теплоаккумулятора і системи повітряного опалення.



Тепер давайте розрахуємо, за який час мій сонячний колектор зможе нагріти цей теплоаккумулятор. Сонячний колектор теоретично може мати площу до 100 кв. метрів. Припустимо, з кожного метра я зможу знімати по 500 Ватт енергії на годину. (Це приблизно 1,8 МДж / год. Відповідно з усього колектора 180 МДж / год. Що б зарядити весь теплоаккумулятор «по саму кришку» відповідно буде потрібно 10000/180 = 55-60 сонячних годин. У реальності - набагато більше, т.к . у теплоаккумулятора є і тепловтрати. Можливо, в реальності він ніколи і не зарядиться на повну силу.



Отримати 60 сонячних годин поспіль. як розумієте, зовсім неможливо. Максимальний час, на протязі якого сонячний колектор - дах буде працювати - це 5-6 годин в кращому випадку. Дах орієнтована на південь і вранці і ввечері чекати від неї ефективної роботи не варто. Але за 5-6 годин вона здатна видати близько 1000 МДж тепла (тобто зарядити теплоаккумулятор на 1/10 його ємності). Правда є невеликий резерв у вигляді прибудованого до будинку зимового саду. Площа його даху приблизно 50 кв. метрів, можливо з нього теж можна буде отримувати певну кількість тепла.



Напрошується висновок: Необхідно розділити теплоаккумулятор на декілька «банок» - відділів. Тоді можна буде керувати ним за значно більш гнучкого алгоритму. Якщо сонячний день - випадковість, і їх всього 1-2, то в перебігу його і зарядити 1-2 «банки» (наприклад 20%) акумулятора. Зате практично повністю. Якщо ж встановилася гарна погода надовго, то послідовно заряджати всі інші банки теплоаккумулятора. Так само слід і витрачати теплову енергію, по черзі «розряджаючи» відділи акумулятора.



Для такої організації «банки» повинні бути серйозно теплоізольовані один від одного, але мати можливість об'єднаються. Гнучка система управління дозволить найбільш повно використовувати потенціал сонячного опалення.



Інший висновок, який можна зробити з вищенаведених розрахунків: При правильній організації сонячного колектора і теплоаккумулятори 1 умовний квадратний метр сонячного колектора за один свій «робочий час» (коли він освітлений сонцем) виробляє теплову енергію в кількості достатній для опалення з коефіцієнтом 5-8. (Для умовної величини витрат на опалення 100 Ватт / кв.метр). Чим краще утеплений будинок, більш якісно влаштований теплової колектор, теплоаккумулятор та комунікації, тим вище буде цей коефіцієнт.



Можна навіть вивести просту формулу якогось теплового балансу.



Кк * Sск * Тсолн. = Sот * Тоб, де



Кк - коефіцієнт конверсії тепла, 5 ... 8 (не більше 8 принципово при ККД 100%)



Sск - площа сонячного колектора (кв.м)



Тсолн - час ефективного висвітлення колектора сонцем. (Години)



Soт - обігрівається площа приміщення. КВ м.



Тоб - час обігріву приміщення (години)



Виходячи зі своїх можливостей чи потреб і розташовуючи певними вихідними даними, можна розрахувати всі інші параметри сонячного обігріву.



Наприклад, у вас є можливість зробити сонячний колектор площею 10 кв. м, який буде освітлений на протязі 5 годин. Отримаємо 5 .. 6 * 10 * 5 = 250 ... 300. Відповідно, ми зможемо опалювати 25 кв.м. в перебігу 10-12 годин. Або 10 кв. м на протязі доби.



Очевидно, що маючи невеликий сонячний колектор, немає сенсу закладається на опалення всього будинку. Краще якісно обігрівати 1 приміщення. Це вже дасть істотне економію палива або електроенергії. Але наведені розрахунки доводять, що організовувати сонячний обігрів в середній смузі ЕЧ Росії як основний - досить проблематично. А от використовувати його як допоміжний - дуже перспективне.



Посудіть самі. Наприкінці ранньої осені, після бабиного літа, після теплих ясних днів, теплоаккумулятор великої ємності буде заряджений практично повністю. Це забезпечить дуже істотну економію палива в період практично до кінця листопада. У грудні та січні сонячний обігрів працювати не буде, а починаючи приблизно з середини лютого сонячні дні вже не рідкість і сонячний обігрів знову почне набирати обертів. C середини березня сонячний обігрів може зробити вже непотрібним використання традиційного палива. Таким чином, ми скорочуємо опалювальний сезон всього до 2-3 місяців, замість 6-7! Економія палива мінімум 50%. Враховуючи практично вертикальний ріст цін на енергоносії окупність витрат на створення сонячного обігріву складе максимум кілька років.