Солнечный обогрев в автономном доме


Вдали от цивилизации

Речь пойдёт вот о чём. К примеру, семьянин средних лет собрался обзавестись садом-огородом. Однако все доступные ему участки находятся далеко за пределами территорий с инженерными сетями. Там, на полученном участке, ему предстоит построить домик. Только вот с его отоплением возникнут проблемы: запас топлива, конечно, будет, но, приехав туда ранней весной, пока растопишь печку да прогреешь свой кров после холодных ночей – пора собираться обратно.

Солнечный обогрев в автономном доме

Хорошо бы поставить солнечный нагреватель, да вот беда: для работы системы циркуляции теплоносителя требуется электричество, а ближайшая линия – за тридевять земель. Да и не оставишь всю эту систему без присмотра, а тем более, если ещё установлено сложное устройство для наведения на солнышко самого коллектора, чтобы он подольше да получше грел. Да неплохо бы соорудить какой-нибудь запасник тепла на случай затянувшейся пасмурной погоды. Ну а если к тому же прикупить недорогую солнечную панельку на две-три лампочки, совсем красота!

Поразмыслив, глава семейства решил сделать всё возможное сам. Руки не крюки и голова соображает. Понадобится помощь что-либо выточить или сварить – есть к кому обратиться.

А вот как и из чего – это вопрос! Об этом и потолкуем.

Где накапливать тепло?

Начнем же с запасника тепла – иначе, с теплового аккумулятора. Сразу на ум приходит бак с водой. И далее – трубы, батареи. Их надо защитить от коррозии и утеплить так, чтобы не разморозило в холода при отсутствии подогрева. И опять же: воду надо качать насосом. Нет, надо что-то попроще. И без ВОДЫ!

А что, если сам фундамент домика выполнить в виде защищенного от грунтовых вод бункера, утеплить изнутри стенки, проложить на дне нехитрую конструкцию, например, из гнутого уголка (как на рис.1) и заполнить почти доверху промытым крупным гравием, мелким булыжником, боем кирпича и т. п.?

Теплоаккумулятор

Сверху настелить полы – они при нагретом заполнителе будут очень теплыми и поддержат тепло в домике. Впрочем, если домик уже построен, то такой теплоаккумулятор можно соорудить на участке, над ним расположить теплицу, от него провести теплоизолированный трубопровод под полы в домике, в сауну, сушилку и к простейшему бойлеру. (Ничего не забыто?).

В этом случае можно использовать и другой вариант конструкции теплоаккумулятора: за глухой стенкой помещения построить примыкающий к ней узкий отсек с наружной кладкой из пустотных блоков (кирпича), заполнить его материалом-теплонакопителем и сделать соответствующее перекрытие. (При этом позаботиться и об усилении стенок: пилястры, жесткие взаимные связи и т. п.). Если полы жилища недостаточно теплопроводны, можно за плинтусами у наружных стен оставить зазоры в 3 – 5 мм.

Сразу встаёт вопрос: а каковы должны быть размеры теплоаккумулятора? Ну, это определяется, исходя из конкретных условий на участке – с учетом особенностей построек и общей планировки. Здесь самое важное – знать необходимую массу теплоаккумулирующего материала с учетом его удельной теплоёмкости, максимально возможной температуры нагрева выбранным солнечным коллектором, допустимого уровня снижения температуры, теплопотерь. А в первую очередь – требуемого расхода тепла на все главные нужды при продолжительной пасмурной погоде. А уж от массы материала с учетом его насыпной плотности перейти к объёму и определить подходящие габариты теплоаккумулятора. Ничего себе задача?!

Можно, конечно, привлечь специалистов из проектного института, они сделают все расчёты и выдадут готовый проект. Но это обойдется в довольно круглую копеечку. А где гарантия в надёжности результатов расчётов и оптимальности выбранных параметров. (Из практики работы многих проектировщиков мы знаем о таких «перестраховках», что мало не покажется!). Так что уж лучше поразмыслить самим.

Если исходить из опыта проживания в типичном садовом домике со стенами из блоков или кирпича, с утепленным чердаком и умеренным остеклением, в весенне-осеннее время (зимой-то там почти делать нечего и достаточно поддерживать небольшую плюсовую температуру) для комфортного обогрева необходим суточный расход энергии 30…50 кВт۰ч с учетом пользования водонагревателем. Допустим, целую неделю не будет солнца. Стало быть, энергоёмкость теплоаккумулятора при потерях тепла до 15% должна быть около 400 кВт۰ч, а это почти полтора миллиона килоджоулей. Допустим, что в качестве теплоаккумулирующего материала выбран гравий. Его усредненную теплоёмкость примем равной 0,84 кДж/кг۰град. Следовательно, при ориентировочной разности температур в теплоаккумуляторе от его предельного нагрева до допускаемого остывания (когда ещё возможен отбор тепла) в 150 градусов нам потребуется 1500000/(0,84۰150) кг. При насыпной плотности гравия 1500 кг/куб.м объём составит всего-то 8 кубометров.

Стало быть, если вы живете в средней полосе России, то, пристроив к стене садового домика накопитель тепла метровой ширины, вы уже можете даже зимой погреться там, а то и вырастить в небольшой тепличке собственную зелень!

Чем нагревать?

А теперь поговорим о том, чем нагревать. Все известные до вчерашнего дня солнечные нагреватели заведомо не годятся в нашем не электрифицированном хозяйстве: нагретый теплоноситель надо подавать в расположенный внизу аккумулятор принудительно, а для этого нужна энергия. Вот тут то и обратимся к свежему изобретению под названием «Солнечный самонаводящийся коллектор-нагнетатель» (патент РФ № 2535193, 2014 г.). Этот коллектор не нуждается в каких-либо нагнетателях: он сам обеспечивает циркуляцию теплоносителя за счет солнечной энергии и без всяких преобразователей её в электрический ток. Да, основные варианты конструкции коллектора, предлагаемые в упомянутом патенте, слишком сложны для изготовления в домашних условиях, однако в описании изобретения упоминаются и упрощенные конструкции, которые можно осилить вне заводских территорий. На них и остановимся.

Сразу оговоримся, что упрощенные конструкции коллектора-нагнетателя рассчитаны только на газообразный теплоноситель, но ведь нам это и надо: мы же, отказавшись от воды, используем воздух.
Принцип работы нашего коллектора такой. В герметически замкнутой полости с проточным каналом воздух нагревается солнечными лучами до расчетной температуры – порядка двухсот градусов. При этом проточный канал с одной стороны имеет обратный клапан, а с другой стороны тоже клапан, но только типа предохранительного с круто падающим усилием возврата, например, с использованием постоянного магнита. Для его срабатывания требуется определенное давление, при котором он резко открывается и остаётся открытым под действием воздушного потока. Но этот поток при прохождении (с большой скоростью!) в отходящей трубе при сброшенном избыточном давлении в коллекторе прекращается не сразу: он успевает за счёт собственной инерции затянуть через обратный клапан холодный воздух – даже с некоторым «наддувом». При этом оба клапана один за другим (обратный – последним) закрываются и процесс повторяется.

Устройство такого нехитрого коллектора показано на рис. 2. (Следует подчеркнуть, что длина соединённых с коллектором труб должна быть не менее общей протяженности нагревающего канала и, желательно, без резких поворотов).

Солнечный коллектор
Каковы же размеры коллектора? Судя по тому, что он в лучшем случае будет облучаться солнцем не более 6 – 7 часов в день, площадь абсорбера должна быть не менее 8 кв. м. Многовато! Для поворотной конструкции тяжело и громоздко. Да и расчётную температуру получить не удастся. А что будет в непогоду?

Эврика! Давайте сразу убьём трёх(!) зайцев. Для этого сократим площадь до 5 кв. м. Но над коллектором поставим легкий козырек с отражающей нижней поверхностью, как показано на рис. 3. Тут нам и облегченная и компактная конструкция, и усиленный нагрев, и защита от непогоды!

Простейший трекер

Да, не забыть о ветровых нагрузках! Снег то не удержится на козырьке с таким же крутым наклоном, как и у самого коллектора – 30…35 град. от вертикали. А вот парусность большая. Конечно, нет никакой необходимости слишком высоко поднимать коллектор, лучше выбрать для него не затеняемое место и оставить всего лишь проход под ним. При необходимости, усилить опору и обязательно оставить зазор (в пол-аршина) между ближайшими кромками коллектора и козырька.

Итак, горячий воздух подаётся в теплоаккумулятор, проходит через его нагреваемую засыпку сверху вниз (его утечки во внешнее пространство надо исключить) и далее – с пониженной температурой – в обогреваемые помещения, где в самых холодных углах над полом расположены воздухозаборные каналы (трубы с регулирующими заслонками), соединенные со входом в коллектор.

При работающем коллекторе циркуляция будет обеспечена. А при неработающем? Тут требуется дополнительное и тоже нехитрое устройство. В засыпке теплоаккумулятора укладываются трубы, сваренные в форме змеевика. Одной стороной такой теплообменник подключается – через свой обратный клапан – к воздухозаборному каналу в помещении, а другой – через магнитный клапан (он, конечно же, послабее, чем у коллектора) соединен с подполом. (Кстати, о таком теплообменнике упоминается в том же изобретении). Вот и всё!

Простой трекер для солнечного коллектора

А как же насчёт самоориентации коллектора на солнце? И здесь всё просто. Посмотрим на рис. 3. Коллектор своим центральным патрубком посажен на опору с возможностью свободного вращения. Внизу патрубка имеется кривошип регулируемой длины с поворотным патрубком для соединения с рычагом из стальной полосы, (чтобы при повороте коллектора он мог упруго прогибаться в направлении опоры), а поворотный патрубок на конце кривошипа позволит соединённому с ним (штырём) рычагу перемещаться в другой вертикальной плоскости в пределах его угла поворота – около 5 градусов.

Поворот рычага, закрепленного на оси, проходящей сквозь опору, происходит под действием разности продольной силы у вертикально расположенных теплочувствительных полос длиной по 2 м, одна сторона которых, обращенная к другой полосе, зачернена, а другая сторона закрыта от солнечных лучей, например, доступным сегодня пленочным теплоизолирующим покрытием (Теплометт «400», «Броня» и т. п. Его можно использовать и для теплоизоляции труб, тыльной поверхности коллектора). Дисбаланс этих сил при солнечном нагреве одной из полос обеспечивает поворот рычага, достаточный для перемещения кривошипа в пределах необходимого поворота коллектора от исходного направления на юг (в нашем северном полушарии) на 45…50 град. к востоку либо западу. А больше и не надо: весеннее и осеннее солнышко греет (да и светит!) только в этом интервале.

Для настройки системы ориентации коллектора – а тут особой точности и не требуется – длину кривошипа можно регулировать, меняя таким образом передаточное отношение в сопряженной паре рычаг – коллектор.

Вот так. Выполнив все дела и убедившись в исправной работе всего комплекса, можно навсегда забыть и о дровах, и о теплоснабжающих организациях.

А если хозяин участка, выйдя на заслуженный, решит переехать в свой садовый домик на ПМЖ, к тому времени, будем надеяться, наша промышленность освоит выпуск нового, впрочем, уже разработанного преобразователя, который позволит от того же теплоаккумулятора получать столько электроэнергии, что хватит на все бытовые нужды. Включая и пользование электроинструментом. Так что «новоиспеченному» пенсионеру не придётся сидеть без дела!.

Н. Ясаков, Новороссийск, e-mail: energetika-veka@yandex.ru

Наверх