Наша водогрейка

Наша водогрейка

Мне был интересен дом, не использующий дополнительную энергию на отопление и получение горячей воды. Кроме того, я хотел вписать дом в окружающий ландшафт, придав особое значение теплосберегающим материалам и не нанося вред окружающей среде.

Были запланированы три спальни (одну из них предполагалось использовать под офис), две ванные комнаты, библиотека, полноразмерная кухня, столовая-гостиная, гараж на две машины, крытое крыльцо и подвал под всем домом. Получилось 160-170 м2 жилой площади.

Дом должен быть воздухонепроницаемым, но хорошо вентилируемым. В северном климате Новой Англии солнце - довольно редкий посетитель. Поэтому дом, использующий энергию солнца, должен иметь минимальные потери тепла. Необходимые элементы этого: воздухонепроницаемые конструкции, многослойная изоляция и высокий коэффициент сопротивления теплопередаче окон.

Приоритетной задачей этого проекта была герметизация. Продуваемость мы свели к минимуму за счет заделки щелей и отверстий полиуретановой пеной. Стыки стен с черным полом загерметизировали пластичным наполнителем, а стыки стен и потолка закрыли аккуратно разложенными и проклеенными полиэтиленовыми листами. Такая защита играет двойную роль: замедляет испарение и создает воздушный барьер. До установки внутренних перегородок потолок был закрыт листами из полиэфирного волокна. Для герметизации вертикальных щелей использовали неопреновые кровельные пластины.

Продувочные испытания при проектировании показали, что коэффициент обмена воздуха составляет 0,03 м3/час. Это намного меньше, чем у типовой конструкции. Следовательно, в таком доме необходима эффективная вентиляция.

Требуемый уровень теплозащиты был достигнут за счет возведения двух каркасных стен (из брусков сечением 50x100 мм) с промежутком 175 мм и заполнения получившейся полости теплоизолятором из целлюлозы (рис.1).  

 

На торцы балок поверх стекловойлока нанесли 50-мм слой формованной полистирольной пены. Большую часть кровли проклеили и изолировали самовспенивающейся целлюлозой. К стенам подвала прибили каркас толщиной 50 мм, заложенный стекловойлоком, а под перекрытием установлены 50-мм пенополистирольные блоки.

Остекление — третий компонент суперизоляции. Для получения низкой теплопроводности окон были использованы конструкции с заполнением пространства между стеклами инертным газом. Кроме того, мы выбрали окна, у которых рама и переплет выполнены из пустотелого жесткого стеклопластика, заполненного изоляцией из стекловолокна. Это снижает тепловые потери через не застекленные части окон.

Так как окон с необходимыми параметрами стекол не оказалось, мы взяли только оконные переплеты. В готовые рамы установили специально изготовленные блоки с уплотнением

(стеклопакеты). Пространство между внутренним и внешним стеклами заполнено криптоном, что дает низкий коэффициент теплопроводности блока. Кроме того, использовались блоки с так называемым "тепловым зеркалом" — конструкции, в которых используется двойное стекло вместо одинарного с полиэфирной пленкой между стеклами. Сочетание всех этих элементов дало хороший результат без уменьшения количества солнечной энергии, помогающей нагреть дом.

Стеклопакеты с "тепловым зеркалом" и заполнением блоков криптоном установлены в пяти окнах на фасаде дома. Оконные блоки размером 1170x1940 мм были установлены непосредственно в проемы.

Аналогичную конструкцию мы использовали для наружной двери в северо-восточном углу дома и для окна над лестницей на второй этаж. На южной стороне дома поставили трехслойное остекление. При подсчете расходов выяснилось, что заказчики затратили немного больше, чем при использовании фабричных окон и дверей, но зато получили значительно лучшие тепловые характеристики.

Параметры установки солнечного нагрева. Так как дом хорошо утеплен, потребная тепловая мощность при внешней температуре -З С составляет около 6 кВт. Дом можно было бы прогреть четырьмя калориферами, но владельцы выбрали другой путь. Мы посчитали потребляемую тепловую мощность с учетом возможного вклада, даваемого системой бытовой горячей воды (СБГВ), и выбирали параметры установки с учетом как ее стоимости, так и затрат на монтаж, эксплуатацию и ремонт.

 

В конце концов, остановились на системе, в которой воздух нагревается водой (рис. 2). Чтобы получить необходимую температуру горячей воды за счет лучистой энергии, потребовалось установить солнечный коллектор площадью около 36 м2 при объеме воды в безрасходном баке 5,4 м3. Коллекторы мы встраивали непосредственно в крышу, монтируя их вместо элементов кровли. При монтаже на крыше между нею и коллектором прокладывали теплоизоляцию. При этом снижаются затраты на изготовление кровли, а коллектор используется более эффективно за счет уменьшения тепловых потерь.

Медный коллектор, закрытый стеклом. Нагревательная часть представляет собой панель 1200x3000 мм с набором медных трубок. На медные поверхности наносится покрытие, снижающее потери на лучистый теплообмен. Медные трубки закрыты однослойным "солнечным" стеклом с пониженным содержанием железа, что обеспечивает прохождение большего количества солнечной энергии.

Система возвратно-сливного типа. Если солнечного тепла нет, вода сливается в безрасходный бак в подвале (см. рис. 2). При появлении солнца датчик, установленный на коллекторе, реагирует на попадающее на него тепло и включает центробежный насос. Вода из нижней части бака прокачивается через коллектор и сливается в верхнюю часть бака.

Таким способом при внешней температуре -З С дом можно прогреть до +39°С.

Безрасходный бак был изготовлен на месте из спаянных медных листов. У него высокая устойчивость к коррозии и его легко ремонтировать. Снизу бак изолирован плотной пеной, а боковая поверхность закрыта двумя слоями стекловойлока.

Горячая вода для бытовых нужд хранится в отдельном нагревательном баке объёмом 230 л, закрытом полиэтиленом и установленным на слое пены толщиной 50 мм. Когда горячая вода забирается из бака, в него поступает свежая вода, предварительно пройдя через змеевик в верхней части безрасходного бака. Для поддержания температуры в малом баке, вода может циркулировать через тот же змеевик. Змеевик длиной 15 м выполнен из медных трубок 015 мм. Нагреватель мощностью 5 кВт, установленный в баке для хозяйственных нужд, — единственный дополнительный источник тепла в системе нагрева воды солнцем.

Наличие нагнетающего и отсасывающего воздухопроводов в каждой спальне обеспечивает хорошее распределение тепла и постоянное давление. В подвале трубопроводы загерметизированы латексной мастикой и закутаны в теплоизоляцию.

В комнатах всегда чистый воздух. Несколько факторов способствуют улучшению атмосферы внутри помещений: отсутствие сжигаемых внутри помещений горючих веществ или масел; большое количество красок и отделочных материалов на водной основе; повсеместное использование высококачественных отделочных материалов, включая гранит, керамический кафель, линолеум и фанеру из твердых сортов древесины (вместо синтетических материалов).

В конечном счете приток свежего воздуха обеспечивается механически через возвратный трубопровод тепло-регенеративным вентилятором. Его иногда называют "блок воздух-воздух". В него входят вентилятор свежего воздуха, вентилятор нагнетаемого воздуха и блок нагревателя-регенератора. Блок нагревателя-регенератора спроектирован так, что большая часть тепла выбрасываемого воздуха передается входящему свежему потоку, но во избежание загрязнения свежего воздуха сохраняется разделение потоков. Обычно к.п.д. таких блоков для жилых домов порядка 60-80%.

Почем немного солнца ?

Идея использования солнечной энергии для обогрева жилья и получения горячей воды для других хозяйственных нужд далеко не нова. За рубежом уже десятилетиями существуют фирмы, поставляющие на потребительский рынок высокоэффективное оборудование для гелиоустановок бытового назначения. По данным печати только в Европе потребление солнечной энергии по сравнению с 1987 годом возросло более чем в 10 раз. Обусловлено это не только, и даже не столько тем, что энергия эта, дескать, дармовая, а в гораздо большей степени отношением граждан к охране окружающей среды, поскольку уж солнечная-то энергия является действительно экологически чистой.

В недавнем прошлом промышленностью выпускалось подобное оборудование и у нас, но в основном нам приходилось довольствоваться описаниями многочисленных бытовых гелиоустановок, реально изготовленных некоторыми умельцами и вполне доступных для изготовления другими. Сложилась некая классическая схема таких установок (рис. 1), в обязательном порядке содержащих коллектор (поглотитель солнечной энергии) и термоаккумулятор (накопитель тепла), соединённые в контур трубопроводами. В качестве теплоносителя чаще всего предлагается вода, для заполнения  и слива которой система должна иметь соответствующие устройства. Они могут быть разными в зависимости от того, какая используется система: расходная (потребляется горячая вода) или безрасходная   (замкнутый  контур отопления).  Возникает вопрос: почему же, если всё так ясно и просто, солнечные установки не наблюдаются на каждом доме, ведь энергия при этом, как говорится, достаётся даром? Попробуем разобраться с этим вопросом.

 

Возможных конкретных воплощений гелиоустановок много: есть компактные отопительные системы (рис. 2), есть даже автономные мини-установки (рис. 3), кто-то предлагает контур на водопроводных трубах, а кто рекомендует использовать (для коллекторов, в частности) тонкостенные стальные или медные трубы (и в этом есть резон). Одних только коллекторов существует великое множество — от простейших с применением шланга (поз. 1, 2, 3 на рис. 4) до изготовленных с использованием сложнейших технологий (поз. 7, 8). Но сложились и решения, буквально кочующие из описания в описание. Больше всего это относится к самым сложным узлам — коллекторам. Традиционно — это плоский ящик с остеклённой верхней гранью. В нём находится нагреватель теплоносителя: чаще всего трубчатый — либо змеевик, либо подводящий и отводящий патрубки, соединённые системой параллельных трубок (рис. 2). Внутренняя поверхность ящика, как правило, зачернена, а боковые стенки и днище — теплоизолированны.

   

Рассмотрим назначение всех элементов конструкции. Ящик — это корпус, без которого узла вроде бы и нет. Стекло закрывает внутреннюю полость корпуса от атмосферных влияний и пропускает в коллектор лучистую энергию, ради поглощения которой всё и делается. А можно ли без стекла? В принципе можно, но что станет с конструкцией, если её будет заливать дождевая вода? Кроме того, стекло выполняет ещё одну роль: оно снижает потери тепла коллектором за счёт охлаждения его наружным воздухом (вспомним парник). Чёрное покрытие внутри ящика служит для повышения поглощательной способности коллектора — увеличения «усвоения» пришедшей на данную площадь лучистой энергии. Теплоизоляция снижает теплопотери с незастеклённой части корпуса коллектора.

 

И увеличение поглощательной способности, и снижение теплопотерь коллектора повышают его «равновесную» температуру. Что это такое? Поскольку на освещенную солнцем поверхность падает поток лучистой энергии*, часть которой этой поверхностью поглощается, температура её должна расти. Вопрос: до какого значения? Если бы энергия только поглощалась, то до бесконечности. Однако этого не происходит потому, что идёт не только поглощение энергии, но и её сброс. В нашем случае энергия тратится частично с пользой — греется вода, а частично бесполезно рассеивается в окружающую среду (теплопотери). Сброс тепла с поверхности тем больше, чем выше её температура. Если поглощение энергии больше, чем её сброс, температура поверхности растёт. Но тогда растёт и сброс — до тех пор, пока не сравняется с поглощением при температуре, которая и называется «равновесной». Чаще всего в литературе упоминается цифра 800 Вт/м2. На самом деле она зависит от многих факторов: географической широты местности, высоты солнца над горизонтом (времени суток), ориентации освещенной поверхности на солнце, состояния атмосферы.

Попросту говоря, это та температура любой реальной поверхности, до которой она нагреется на солнце.

Теплоноситель (воду) в контуре в принципе можно нагреть до равновесной температуры коллектора за вычетом некоторого температурного перепада, величина которого определяется совершенством конструкции гелиоустановки в целом. Чем выше качество коллектора, тем выше его равновесная температура, меньше достижимый температурный перепад и выше КПД — доля полезного тепла. Но именно достижение наилучших значений эти показателей и сопряжено с наибольшими затратами — хорошие коллекторы очень дороги, что и сдерживает их широкое распространение.

При самостоятельно изготовлении качественного коллектора также не удастся избежать значительных материальных и трудозатрат. Для их определения необходимо в первую очередь оценить параметры установки в целом.  И тут главным, пожалуй, является вопрос о её мощности, величина которой определяется хозяйственными нуждами, для обеспечения которых предназначена гелиоустановка. Если отапливается дом, то какой: площадь ограждений, качество их теплоизоляции и т.п. Если потребляется подогретая вода — то её температура и расход.

Мощность установки в первую очередь определяет потребную площадь коллектора, которая, кроме того, зависит ещё от КПД установки в целом. Вопрос о КПД гелиоустановок довольно специальный и требует отдельного разговора, на что отвлекаться не будем. Отметим лишь, что для достижения его высоких значений (у коллекторов 85% и выше) промышленность использует специальные материалы и технологии, чего нет в условиях «домашнего» производства. Поэтому, если достичь КПД самодельной установки 50%, что очень хорошо, можно рассчитывать на получение полезных 400-500 Вт с 1 м» при самых благоприятных условиях. Это означает, что для обеспечения мощности в 2 кВт (современный электрический чайник) нужно иметь 4-5 м2 площади коллектора. Если учесть, что нынешние весьма экономичные коллекторы иностранного производства имеют конструкционную массу порядка 25 кг/м2, то легко представить себе, сколько же будет весить самодельный аналог, например, на водопроводных трубах.

Теперь посмотрим, что нам даст такая мощность установки. В случае с чайником всё ясно: за несколько минут 1,5-2 л воды доводятся до кипения. Но давайте не ставить перед гелиоустановкой такой задачи (из-за дороговизны её решения), а зададимся целью просто греть воду, что гораздо проще. Допустим, что мощность 2 кВт установка будет выдавать в течение 6 часов светового дня. Тогда запасённая энергия при всех наших допущениях составит 12 кВт-ч, что составит 10320 ккал. Если система заправлена 200 л воды, то эта энергия может поднять её температуру на 51,6 °С, но конечная температура горячей воды никогда не превзойдёт равновесную температуру коллектора. Тем же теплом 300 л воды нагреются на 34,4°С, а 400 л - на 25,8°С. Понятно, что ухудшение рассмотренных нами параметров установки (площади и КПД коллектора, времени облучения и т.п.) приведёт к снижению полученных нами результатов. Заметим также, что дешевле нагревать воду до более низких значений температуры, так как конструкция коллектора при этом проще.

Однако в любом случае она остаётся слишком сложной: тут и корпус, и герметичные соединения труб, и черная поверхность, и теплоизоляция, и остекление. Всё это обеспечивается соответствующими наборами материалов и технологических операций. Хорошо бы было от всего этого отказаться, но из литературы следует — иначе нельзя. А так ли это?

Давно замечено, что кровля, из чего бы она ни была сделана, в солнечные дни нагревается так, что именно теплоизолируют мансардные помещения. Ясно, что кровля «в силу своего положения» уже является солнечным коллектором, поскольку, хотим мы этого или не хотим, а лучистую энергию она поглощает. Кроме того, площадь кровли, как правило, несоизмерима с площадью промышленно изготавливаемых модулей коллекторов (1,5-2,0 мг), которые объединяются в систему в зависимости от желаемой мощности. Другое дело, что равновесная температура кровли по сравнению с высокоэффективным коллектором промышленного изготовления невысока. Но, если такие коллекторы, а значит и нагреваемая в них вода, обходятся дорого, то может быть, есть смысл использовать действительно «даровое» тепло кровли (или другой греющейся на солнце поверхности) для получения менее нагретой воды, отказавшись от изготовления традиционных коллекторов?

Замечено также, что в брошенном как попало на садовом участке шланге для полива вода в солнечные дни нагревается так, что при подаче воды из водопровода, пока она дойдёт до среза шланга, можно успеть принять сначала горячий, а затем и тёплый душ. Поскольку такой шланг лежит и в тени, и на земле, равновесная температура его не высока, а о КПД «системы» говорить в этом случае не приходится. И то и другое существенно возрастают при размещении шланга на крыше, в результате чего получается простейший, но отнюдь не плохой коллектор. Концы шланга подсоединяются к бочке-термоаккумулятору — и вся система готова. При этом отпадают все (весьма многочисленные) технологические операции, остаются лишь возможные сращивания шланга (операция тривиальная) и крепление его на крыше (кстати, коллекторы, какие бы они ни были, крепить тоже надо, что при их массе может вызвать осложнения).

Простейшая конструкция крепления сложенного в змеевик шланга на кровле из волнистых листов приведена на рис. 5. Помещенный во впадинах гофров кровли змеевик вполне надёжно укрепляется двумя горизонтальными поперечинами 2, которые могут фиксироваться крепежом листов кровли (например, шиферными гвоздями). Правда, в этом, самом простом, случае при монтаже и демонтаже шланга его придётся протягивать как иголку с ниткой через все занимаемые им гофры, что не очень удобно. Чтобы избежать этого, поперечины можно сделать съёмными, закрепляя их на зафиксированных на обрешётке шпильках или болтах 4 с гайками. Монтаж коллектора (шланга) при этом заключается в навешивании на шпильки верхних петель змеевика с последующей фиксацией и верхних, и нижних петель прижимными поперечинами.

Строго говоря, в этом случае мы имеем коллектор, которого как бы и нет: ведь крыша существует и выполняет свои функции сама по себе, а шланг можно снять в любой момент и использовать для других целей. Просто объединённые в определённый момент креплением, они выполняют новую функцию — солнечного коллектора, хотя и простейшего. Такая «несуществующая» конструкция не требует не только изготовления, но и эксплуатационных затрат (как средств, так и времени), что, безусловно, — большое достоинство, как и простота сезонных монтажа и демонтажа. Ещё одним плюсом является заведомо большая площадь коллектора — крыши, для которой, к тому же, не требуется никакой ящик (корпус).

Недостаток же конструкции, как уже говорилось, — относительно небольшая равновесная температура. Но и он оборачивается положительной стороной, если учесть, что в качестве водогрейных трубок используется обыкновенный шланг — резиновый или пластмассовый, который, кстати, и красить-то не надо. На поперечины сгодится буквально всё, что может оказаться в хозяйстве под рукой: стальные или алюминиевые полосы или уголки (серьёзный долговременный вариант), деревянные рейки (штакетник) или просто жерди, наконец, проволока или даже верёвка, способная выдержать один летний сезон на крыше — всё дело в креплении, которое сложностей не представляет.

Но вот вопрос: а можно ли в таком простейшем варианте конструкции коллектора поднять равновесную температуру? Оказалось, что можно и при минимальных же дополнительных затратах. Если площадь, занимаемую «коллектором», дополнительно покрыть рубероидом, закреплённым, например, битумной мастикой, увеличится поглощательная способность. Уменьшить «воздушные» потери тепла легко, если воспользоваться полиэтиленовым рукавом, в отдельные куски которого помещаются по несколько рядом расположенных петель змеевика (рис. 5). Каждый полученный таким образом пакет-секция фиксируется теми же прижимными рейками.

Вариант конструкции аналогичного "коллектора" для плоской кровли, например, из металлических листов представлен на рис. 6. Здесь в качестве элементов крепления шланга (змеевика) используются стоячие фальцы соединения листов, к которым болтами 0 5-6 мм легко прикрепить, например, отрезки уголка 1. На них с некоторым натягом фиксируются петли змеевика. Эта конструкция тоже может иметь прижимные планки и снабжаться полиэтиленовыми пакетами, а также совмещаться с подложкой из рубероида.

Нетрудно разместить такой "коллектор" и на вертикальной, освещенной солнцем поверхности, и на поверхности любого другого типа. Главное: какую-то часть тепла солнца можно легко использовать без особых хлопот и затрат, в чем и желаем вам успехов.

О нас

Группа разработчиков по созданию не коммерческого проекта - инфо портала города Ессентуки.

Проекты в разработке

Транспорт- все маршруты, графики, время прибытия и убытия и т.д.

Здоровье- где и как восстановить здоровье свое и своих близких.

Уже на сайте

Вы уже можете просмотреть на нашем сайте.....

Яндекс.Метрика

Контакты

Вы можете связаться с нами ....