Использование солнечной энергии в бытовых целях

Система Блисса-Денована. Дом, оборудованный такой системой с аккумулятором, заполненным гравием, был построен в 1945 г. Нагретый воздух из солнечного коллектора поступал в аккумулятор, а оттуда уже в жилое помещение через вторую циркуляционную систему. Типичный пример - Дом Блисса в Амадо, Аризона (США; архитекторы Р. В. Блисс и М. К. Денован, 1954 г.). Это был первый дом, в котором обогревание и кондиционирование осуществлялось целиком за счет солнечной энергии. Одноэтажный дом площадью 65 м². Площадь поверхности солнечного коллектора воздушного типа 29,2 м², одинарное стекло, аккумулятор вместимостью 65 т с галькой (емкость 35 м³), в подвале было предусмотрено запасное электрическое обогревание, но оно не используется. Летом кондиционирование осуществлялось при помощи той же системы.

Рисунок 6. Система Лёфа. Принцип работы. 1 - радиация; 2 - солнечный коллектор воздушного типа; 3 - теплый воздух, направляемый п аккумулятор; 4 - вентилятор; 5 - слой гравия; 6 - воздушное пространство; 7 - возврат холодного воздуха; 8 - регулирующий клапан; 9 - теплый воздух, направляемый в жилое помещение ; 10 - возврат олодного воздуха; 11 - жилое пространство; 12 - подвал

Система Лёфа. Первая система с воздушными коллекторами и аккумулятора ми с гравием была использована в Булдер-Ха-ус, построенном в 1945 г. Обогревание осуществлялось распределением горячего воздуха. Аккумулятор тепла мог устанавливаться как горизонтально, так и вертикально. Типичный пример - дом Лёфа в Денвер Колорадо (США, 1959 г.). Жилая площадь около 186 м². Площадь поверхности коллекторов воздушного типа 55,7 м². Они установлены на южной стороне кровли под углом 45°. Воздух, нагреваемый в коллекторах, подается с помощью мотора в 1 л. с. в аккумулятор, который состоит из двух вертикальных цилиндров (91 см в диаметре, 5,5 м в высоту), заполненных 6 т гравия. Воздух проходит через горячий гравий и поступает в жилое помещение. Зимой около 25-30% необходимой отопительной энергии и часть потребностей в горячей воде удовлетворяются солнечной энергией. Летом специальные коллекторы с одинарным остеклением дают энергию для кондиционирования, а коллекторы с двойным остеклением снабжают горячей водой.

Система Лефевра. Эта очень интересная и простая система была впервые использована в 1954 г. Стены здания обогреваются посредством вертикально установленных коллекторов и служат аккумуляторами. Таким образом, обычно очень дорогой аккумулятор тепла устраняется, и вся обогревательная система становится дешевле. Типичный пример - дом Лефевра в Стоверстоне (Пенсильвания, США; архит. X. Р. Лефевр, 1954 г.). Двухэтажный дом, в котором отапливается только нижний этаж (общая полезная площадь 116 м2). Солнечный коллектор воздушного типа с двойным остеклением (площадь поверхности 41,8 м2) устанавливается вертикально на втором этаже с южной стороны. Никаких специальных аккумуляторов, они устроены в стенах. Жилые помещения обогреваются циркуляцией теплового воздуха. Около 40-50% всех потребностей в обогреве дома осуществляется за счет солнечной энергии. Запасное отопление газовое.

Система Моргана. Эта первая европейская система была построена в 1961 г. около Ливерпуля в Англии. Здание обогревается только солнечной энергией и некоторыми незначительными источниками (человеческое тепло, лампы). Там нет солнечных коллекторов в обычном смысле этого слова и нет аккумуляторов, так как тепло накапливается в стенах и потолке здания. Типичный пример - школа святого Георгия в Валласей (Ливерпуль, Англия; архит. А. Е. Морган, 1961 г.). Двухэтажное здание школы, рассчитанной на 320 учеников, имеет 67 м в длину. Южная сторона на. 90% состоит из стекла, за которым помещается окрашенная в черный цвет бетонная стена. Бетонный потолок и кирпичные стены сделаны такого размера, чтобы они могли поглотить как можно больше тепла, сохранить его, а затем отдать. Там нет запасного обогрева, а потребность в дополнительном отоплении осуществляется за счет человеческого тепла, электрического света. Энергетическая автономия здания 7 дней. Измерения, проделанные Ливерпульским университетом (М. Г. Давиес) показывают, что такая обогревательная система действует удовлетворительно.

Система Тромба-Мишеля. Эта французская система солнечных домов (патент СИКБ Тромба, 1956 г.) основана на принципе накопления солнечной энергии только в массе здания и напоминает систему Лефевра. Солнечная радиация поглощается вертикальными, обращенными на юг поверхностями с тройным остеклением, которые устанавливаются на черной бетонной стене (30 - 40 см). Поверхность стекла занимает 10% всей поверхности здания. Теплый воздух поступает через маленькие отверстия в жилое помещение и распределяется посредством естественной конвекции. Первый экспериментальный дом, в котором использован этот метод, был построен в Пиренеях в 1962 г. Типичный пример - "Солнечное шале" в Одейло (архитекторы Ф. Тромб и Дж. Мишель, 1968 г.). Шале имеет жилую площадь 80 м² (в одном уровне). Вся южная сторона (кроме двойной двери) покрыта солнечными коллекторами. Так как климатические условия в Одейло очень благоприятны (2750 солнечных часов, 360 теплых дней в году) 0,5 м² поверхности коллектора достаточно для каждых 10 м³ здания (в Париже 1 м² на 10 м³, Шовенси-лё-Шато 1,3 м²на 10 м³). Потребности дома в тепле исчисляются 32 тыс. кВт*ч в год, 65% удовлетворяются за счет солнечной энергии. Запасное отопление электрическое. Энергетическая автономия здания рассчитана на два дня.

Sky-term-система (Хэй-Джеллот). В этой системе, основанной на принципе попеременного нагревания и испарения и примененной впервые в 1967 г., нет солнечных коллекторов и аккумуляторов тепла в обычном смысле этого слова. Поглощение и аккумулирование солнечной энергии осуществляется лотком с водой глубиной 21 см, установленным на плоской кровле. Лоток сделан из черных полиэтиленовых секций, которые покрываются тяжелыми полиуретановыми пластинами толщиной 4,5 см. Зимней ночью лоток накрыт и дом обогревается через потолок. Летом лоток оставляют открытым ночью и накрывают днем, осуществляя таким образом кондиционирование воздуха в помещении. Типичный пример - дом в Финиксе (США, 1967 г.). Экспериментальный дом с одной комнатой, одноэтажный. Жилая площадь 11 м². Площадь водного лотка 15,8 м². Здание испытывалось два года и результаты оказались удовлетворительными. Дом, больший по величине, оборудованный такой системой, строится в Атаседеро, в Калифорнии (США).

Система Байера. Основное в этой системе - размещение в южной стене дома 90 баков, каждый вместимостью 200 л (всего 18 тыс. л воды). Когда светит солнце, окрашенные в черный цвет внешние поверхности открыты, и солнечная радиация, попадая на них через стеклянную пластину, нагревает воду. Ночью или в плохую погоду эти поверхности закрываются с внешней стороны движущимися покрытиями (щиты из тяжелого утеплителя) и отдают жилому помещению тепло, полученное в течение дня. Типичный пример - дом Байера в Нью-Мексико (США, 1972 г.). Жилая площадь 185 м² (один этаж), полезная площадь коллектора - 24,1 м². На 90% дом обогревается за счет солнечной энергии, остальные 10% восполняются двумя каминами на древесном топливе. Летом "водяные стены" охлаждаются ночным воздухом и в течение дня используются для воздушного кондиционирования. Движущаяся внешняя плита имеет 35 см в толщину, весит всего 6,75 кг/м² и играет важную роль в качестве утеплителя. Запасное отопление (два камина) используется не более 10 раз в год.

Система Бриджерса- Пакстона. Эта система, разработанная в 1956 г., была одной из первых, где распределение тепла было достигнуто обогреванием пола. Тепло принимается водяными коллекторами. Теплонакопитель и теплоноситель - вода. Эта система используется сегодня почти исключительно европейскими изготовителями. Типичный пример - конторское здание Бриджерса-Пакстона в Альбюкере (Нью-Мексико, США). Отопление здания и кондиционирование осуществляются за счет солнечной энергии. Полезная площадь составляет около 410 м². Солнечные коллекторы, использующие воду, делаются из алюминия и имеют площадь поглощающей поверхности 71 м². Аккумулятор тепла вмещает 23 тыс. л воды. Теплоотдача осуществляется с помощью наполненных водой труб, которые проходят по потолку и полу. Установка снабжена также тепловыми насосами. Эта система удовлетворительно функционирует с 1956 г.

Система Вагнера, или пассивное использование  солнечной энергии. В зданиях, оборудованных системой такого рода, солнечная радиация непосредственно конвертируется в обогревание воздуха. Там нет солнечных коллекторов, но дом частично или полностью имеет покрытие из прозрачного стекла. Воздух между стеной дома и наружным стеклом нагревается вследствие парникового эффекта. Само здание обычно служит частью аккумулятора. Типичный пример - "Растущий дом" (архит. М. Вагнер). Это здание, спроектированное в 1931 г., имеет площадь около 94 м². Гостиная находится в центре здания, а другие комнаты расположены вокруг нее. Дом окружен стеклянным покрытием на расстоянии 1,5 м от конструкций. Эта воздушная подушка позволяет достичь парникового эффекта. Эта идея также используется в автономном "солнечном доме", который исследуется в Кембридже. О нем уже говорилось выше.

Другие  системы. Кроме описанных выше существует много других систем. Во многих патентных бюро во всем мире зарегистрированы тысячи наименований. Современная солнечная обогревательная система часто бывает снабжена тепловым насосом и иногда солнечными элементами, которые еще увеличивают число возможных комбинаций. Во многих случаях принципы и основные элементы остаются такими же, как и в системах, о которых говорилось выше.

Возможность использования солнечной энергии  с целью отопления очень оптимистично оценивается в некоторых странах. По прогнозам Г. Гейяна, французского инженера-электрика, Франция сможет сэкономить около 5 тыс. кВт*ч электроэнергии на каждый дом в 2000 г., если будет построен миллион "солнечных домов". Это даст ежегодную экономию примерно 5 млрд. кВт*ч, а учитывая горячее водоснабжение и отопление,- 7 млрд. (109) кВт*ч (7 тыс. кВт*ч на 1 дом). Это означает 0,7% всех потребностей Франции в электроэнергии в 2000 г. Фактические возможности еще более значительны. Р. Шерри и М. Морс, авторы книги "Солнечная панель", предполагают, что 35% обогрева и воздушного кондиционирования зданий в США к 2035 г. будет производиться за счет солнечной энергии. К 1985 г. 2 млн. баррелей нефти может быть сэкономлено ежедневно за счет солнечного обогревания.

Эксперименты  в Туркмении показали, что дополнительная стоимость зданий, оборудованных  такими системами (отопление, 300 л горячей  воды на семью в день и кондиционирование  летом), составит не более 4-6% всей стоимости  здания. Это может окупиться в  сравнительно короткий срок, за счет экономии электроэнергии и нефти.

К сожалению, очень важные вопросы  пропорций между стоимостью зданий и солнечной энергии еще не обсуждались в деталях. Основная проблема состоит в том, что для каждого здания и разных климатических условий существуют свои оптимальные цифры. Ученые и инженеры до сих пор не пришли к единому мнению по поводу оптимальных методов использования солнечной энергии.

Институт  Батей в Женеве (Ж- К. Курвуазье и Ж- Фурнье) опубликовал интересные расчеты для района Женевского озера, касающиеся использования солнечной энергии для обогрева. В Женеве, Лозанне и Невшателе ежегодные потребности в нефти для отопления жилища исчисляются в 3043 л (в Лейсане - 5650 л). Расчеты показывают, что даже при средней интенсивности излучения (число солнечных часов в год в Женеве- 1979, в Лозанне-1971, Невшателе - 1699, Лейсане- 1808) возможна довольно большая экономия нефти.

Для дома с жилой площадью 120 м² и поверхностью коллектора 50 м² (эффективность 70%) 48% ежегодно потребляемой нефти может быть сэкономлено в Женеве (1463 л), 52% в Лозанне (1583 л), 41 % в Невшателе (1245 л), 47% в Лейсане (2650 л). Таким образом, использование солнечной энергии для обогрева домов в Швейцарии приведет к значительной экономии нефти, будут сэкономлены большие средства, а кроме того, меньше будет загрязняться окружающая среда.

Охлаждение

На  первый взгляд может показаться парадоксальным получение холода из солнечного тепла. Однако посредством использования солнечной энергии можно получить множество нужных для человека благ - от кондиционирования помещений до изготовления льда.

Если  здание нуждается летом в кондиционировании  при нормальных европейских условиях, то это результат непродуманного решения его конструкций. Даже в жарких странах, например в Северной Африке или на Среднем Востоке, дома могут быть построены таким образом, что в них без специального оборудования будет сохраняться естественная прохлада. В традиционной архитектуре существует много примеров подобных решений. Однако если воздушный кондиционер необходим, то можно использовать энергию солнца, поскольку в жаркие дни, когда нужно охлаждение, энергия солнечного излучения максимально доступна и таким образом полностью отпадает забота об аккумулировании энергии. Воздух в комнатах может охлаждаться посредством солнечного тепла, с использованием простых естественных процессов, например испарения жидкостей.

Охлаждение  помещений (эффект охлаждения путем испарения воды). Известный физический принцип гласит, что при испарении жидкостей тепло (скрытая теплота испарения) аккумулируется из окружающего воздуха и таким образом возникает эффект охлаждения. Хей и Джеллотт в своей ранее упомянутой системе использовали этот эффект для кондиционирования зданий. На плоской кровле слой воды в 21 см летом за ночь охлаждается благодаря радиации и испарению. Днем вода накрывается тяжелой полиуретановой плитой толщиной 4,5 см, которая не пропускает прямую солнечную радиацию. Холодная вода на крыше охлаждает жилые помещения через потолок. Среди домов, построенных на этом принципе, "Sky-therm"- дом в Финиксе (США; архитекторы Хей и Джеллотт, 1967 г.); "Солнечный дом" в Атаседеро (Калифорния, США; архит. Хей, 1975 г.). Дом в Финиксе был испытан и получил хорошую оценку.

Основная  проблема состоит в том, что во многих жарких странах, где воздушный кондиционер действительно необходим, вода редка и дорога. Это значительно повышает эксплуатационную стоимость сооружения.

Охлаждение  помещений посредством обратного  парникового эффекта. В солнечных коллекторах, действующих по принципу парникового эффекта, все направлено на то, чтобы увеличить поглощение и уменьшить потерю тепла, отражения и обратной радиации. Для охлаждения, т. е. уменьшения поглощения тепла, можно принять различные меры. В их числе: уменьшение прямой радиации путем ориентации здания; увеличение естественной обратной радиации; использование прозрачных поверхностей для термической радиации (например, полиэтиленовых пленок); подбор отражающих поверхностей на кровле и стенах (алюминий, стекло, вода, пластиковые пленки, белая отделка); термоизоляция.