Оглавление

ОБЗОР МОДЕЛЕЙ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ.

Солнечное тепло можно использовать в различных областях, но доступ к нему ограничен. На каждый квадратный метр приходится определенное количество солнечное энергии, и даже хорошо сконструированный коллектор преобразует всего половину этой энергии, генерируя тепло для жилого помещения.

Будет ли установка полезна и экономична, или же она не сможет должным образом выполнять свое предназначение, зависит от того, каким образом используется это тепло. Эффективное использование солнечного тепла особенно важно для модернизированных установок, так как они меньше нормального размера из-за ограниченного пространства помещений, в которых устанавливаются. Однако даже маленький коллектор, используемый в качестве дополнительного источника тепла, может значительно сократить потребление энергии, если используется максимально эффективно. Существуют ограничения на размеры экономически эффективных коллекторов – о них поговорим в третьей главе. Даже если у Вас есть место для установки большого коллектора, который полностью обеспечивал бы отопление и нагрев воды, скорее всего он окажется экономически невыгодным. Поэтому прежде чем обдумывать конструкцию установки, нужно найти способ наиболее эффективного использования выработанного коллектором тепла. Существует несколько факторов, которые стоит учесть при организации использования солнечного тепла: например, температура нагрева воздуха, модель и размер коллектора, а также площадь и планировку помещения. Далее мы подробно остановимся на каждом из них.

С технической точки зрения солнечный воздухонагреватель генерирует «низкопотенциальное» тепло. Это ни в коем случае не пренебрежительный термин, он просто означает, что устройство работает при относительно низких температурах (25 – 60°C). Если бы интенсивность потока воздуха была ниже, то температура нагреваемого воздуха была бы на порядок выше. Однако с точки зрения теплотворной способности коллектора удельная теплоемкость сильной струи воздуха температурой 30°C больше, чем маленькой струйки температурой 60°C. Почему? Тепловая потеря коллектора, работающего при 30°C гораздо меньше, чем при 60°C, и потому он работает более эффективно. В коллекторе, оперирующем более высокими температурами, тепло утекает через стекло и стенки короба, поэтому меньше тепла доставляется непосредственно в помещение. Важно учитывать этот принцип при конструировании как больших, так и малых систем обогрева. Это низкопотенциальное тепло и в самом деле очень практично, но с ним нужно обращаться иначе, чем с «высокопотенциальным» теплом 60 – 70°C, которое используется в принудительной воздушной печи. Мощная струя воздуха 65°C из такой печи ощущается как теплый поток, в то время как сильная струя 30°C воздуха из экономичного коллектора или гравийного аккумулятора может ощущаться как легкий сквозняк, не смотря на то, что на самом деле он обогревает помещение. Следовательно, чтобы коллектор успешно обогревал жилое помещение и Вы при этом не чувствовали дискомфорта, воздух из него должен выходить медленно и с нескольких точек. Данное правило не приемлемо для самых маленьких коллекторов, так как в данном случае было бы неэффективно и нецелесообразно делать более одного выходного канала. Сейчас мы снова рассмотрим различные виды воздухонагревателей, на этот раз с точки зрения требований для воздухообработки.

Конвективный воздухонагреватель.

Поддержание постоянного потока низкопотенциального воздуха является основной задачей любого конвективного воздухонагревателя. Поскольку правильно сконструированный теплогенератор пассивного типа повышает температуру циркулирующего внутри него воздуха примерно на 15 – 20°C, температура воздуха на выходе составляет 40°C. Жар пускается в помещение очень медленно через крупные каналы, при этом движение воздуха едва заметно. Это позволяет обогревать Ваш дом, не создавая абсолютно никакого дискомфорта.

Конвективные воздухонагреватели направляют генерированное тепло прямо в смежные комнаты, а потому не требуют установки теплораспределительного элемента. Если южные комнаты используются в дневное время, им необходимо отопление, и в данном случае подойдет простой коллектор пассивного типа. Если же эти комнаты почти не используются, соответственно им необходимо не так уж много тепла. В таком случае необходимо установить более сложную и эффективную систему сбора и распределения солнечной энергии, чтобы обеспечить остальные (не южные) комнаты необходимым теплом. Большой пассивный коллектор может генерировать слишком много горячего воздуха для смежных комнат, что влечет за собой необходимость установки дополнительных пассивных (вентиляционные каналы в полу или стене) или активных (вентиляционная сеть) теплораспределительных систем.

Window Box Collectors – коллекторы в оконной коробке;

Double-hung windows – раздвижные окна;

Mesh absorber – решётчатая поглощающая пластина;

Turning vane – изогнутая лопасть;

4′ minimum – минимальное расстояние 4 фута (120 см);

Straight vent construction – прямой воздушный канал;

Angled vent construction requires less window opening – с конструкцией изогнутого воздушного канала проем в окне может быть меньше.

Рис. 2-1: Вверху и на следующей странице. Коллекторы в оконной коробке и термосифоны - это легко встраиваемые коллекторы, которые генерируют и распределяют воздух по принципу естественной конвекции. Они чаще всего используются в комнатах, которым необходимо отопление в дневное время. К ночи они самостоятельно затухают. Для термосифонов необходима облегченная заслонка обратной тяги, чтобы предотвратить утечку тепла после захода солнца.

Thermosiphoning Air Panel (TAP) – термосифонная воздушная панель;

Inlet vents – забор воздуха;

Single glazing – одинарное остекление;

Mesh absorber (expanded metal) – решётчатая поглощающая пластина (из просечно-вытяжного металла);

Outlet vents – выходной канал;

Backdraft damper with lightweight vane – облегченная заслонка обратной тяги;

Warm air – теплый воздух;

Cool air – холодный воздух;

Interior View of TAP’s Vents – термосифонная установка, вид внутри дома;

Vents through every stud space – вентиляционные отверстия (встроены между каркасными стойками стены).

Коллекторы в оконной коробке.

Коллекторы в оконной коробке – это самый простой вид солнечных нагревательных приборов, но поскольку они весьма малы относительно размеров обогреваемого помещения, то не могут служить основным источником отопления, если только Вы не используете несколько таких коллекторов. Данные панели обеспечивают постоянную и постепенную подачу теплого воздуха в смежные комнаты. Они автоматические, и при правильной установке у них есть преимущество по сравнению с другими солнечными системами отопления, так как они не требуют установки дополнительных клапанов для предотвращения утечки тепла в ночное время. Такие коллекторы лучше всего устанавливать в домах с широкими, раздвижными, южными окнами, которые расположены не менее чем в 1,2 метра от уровня земли. Можно установить их и на другие виды окон, но в таком случае понадобится соответствующая модификация, которая зачастую обходится в круглую сумму, к тому же ее сложно сделать и смотрится она отнюдь не привлекательно. Если окно располагается менее чем в 1,2 метра от земли, восхождение воздуха путем конвекции будет слабым, то есть коллектор не будет работать на полную мощность. Поскольку нагреватели в оконном коробе сравнительно маленького размера и служат дополнительным источником тепла, в их конструкции не предусмотрено теплораспределительных и аккумулирующих элементов. Установка не требует существенных модификаций. Но их нельзя использовать на окнах, ориентированных на другие стороны света, даже если Вы захотите собрать большую систему коллекторов.

Термосифонная воздушная панель.

Термосифонная воздушная панель – это отличное решение для зданий с небольшой южно-ориентированной площадью и южной комнатой, где необходимо отопление в дневное время. Термосифоны обычно устанавливают в помещениях, используемых в дневное время, например, небольших мастерских, кабинетах. Как и для коллектора в оконном коробе, для работы термосифонной панели требуется свободная циркуляция воздуха, поэтому вентиляционные каналы в смежных комнатах должны быть достаточно широкими (соответственные требованиям вентиляции для систем активного типа). При установке термосифонной системы на рамную конструкцию, каналы вентиляции можно расположить между каркасными стойками по верхней и нижней линии стены. Стена Тромба (аккумулирующая тепло солнечного излучения) – ближайшая родственница термосифона – больше подходит для стен ручной кладки, главным образом, потому что в ее конструкции имеется встраиваемый в стену теплоаккумулятор.

Распределение тепла в термосифонной системе основано на простом принципе конвективного (конвективно-петлевого) потока внутри помещения, в котором она установлена. Стабильный поток теплого воздуха обеспечивает комфорт, однако комната может перегреться, если ее размеры слишком малы по сравнению с размером панели (если площадь панели составляет более 20% от площади помещения, в котором она установлена).

В одноквартирных домах рекомендуется перенаправлять теплый воздух, генерируемый большой панелью, в другие комнаты. Это можно сделать, установив вентилятор обдува и систему воздуховодов. Но если площадь для распределения воздуха слишком большая, то лучше разработать солнечную систему активного типа с активным распределением воздушного потока.

Несмотря на то, что пассивные воздухонагреватели, обычно используются для дневного отопления, в новостройках теплоаккумулятор можно встроить в конструкцию термосифонной панели. Для этого необходимо соорудить большой коллектор ниже уровня дома или под бетонной плитой для того, чтобы нагретый воздух поднимался путем естественной конвекции. Подобная модификация аккумулятора для конвекционного коллектора, как правило, сложная, слишком затратная и почти никогда не оправдана, если только Вы не используете очень большой коллектор, который удачно расположен ниже уровня дома (в главе 11 мы подробно рассмотрим этот вопрос).

Фото 2-1: Центр Природы Хичкок в Амхерсте, штат Массачусетс. Установлена термосифонная панель 8х14 футов (2,5х4 м) для отопления второго этажа, а лестничный проем используется для канала, выводящего холодный воздух. По утрам на коллектор падает тень, поэтому допустимо немного обрезать дерево.

Термосифонные панели, также как и коллекторы в оконном коробе, доступны по цене и просты в установке. Так как они относятся к пассивным коллекторам, Вам не понадобится прокладывать для них проводку, подключать термостат или вентилятор обдува. Вам не нужно нести эксплуатационные расходы, как при использовании коллекторов активного типа. Есть лишь пара недостатков – отсутствие теплораспределителя и аккумулятора, но в некоторых случаях их можно исправить, если установить небольшой вентилятор. На самом деле для малых коллекторов разница между активной и пассивной работой не так велика. В следующем разделе мы расскажем о различных видах активных солнечных систем.

Активные солнечные системы.

Активные системы более универсальны, чем конвективные, поскольку позволяют направлять теплый воздух во все комнаты, не смежные с коллектором. Хотя стоимость активных систем выше, чем пассивных, они легче поддаются модификации, так как работают по принципу принудительной подачи воздуха. С системой использующей воздух принудительной подачи Вам не придется дорабатывать коллектор для поддержания естественной конвекции. И наконец, активные системы облают лучшей производительностью, чем пассивные, и генерируют больше теплого воздуха в расчете на квадратный метр коллектора.

Система распределения на основе коллектора и полупроходного канала.

Солнечная установка, которая доставляет нагретый воздух прямо в хорошо изолированный полупроходной канал или подвал, успешно использует низкопотенциальное тепло. В данном случае поток теплого воздуха изолирован от жилого помещения, и при температуре 25 – 30°С не создает ощущения сквозняка. Это важно, так как коллектор с высокой интенсивностью потока воздуха больше охлаждается и работает более эффективно, чем коллектор с малой интенсивностью потока.

Воздух поднимается, таким образом, обогревая пол в течение дня и до самой ночи. Пол нагревается до оптимальной температуры, при этом нет никаких сквозняков от потока воздуха, а в условиях холодного климата он предотвращает замерзание трубопровода. Система полупроходного канала является хорошим решением для модернизированных систем, в которых размер коллектора не очень велик по сравнению с размерами помещения, а установка дополнительного теплоаккумулятора или системы воздушных каналов просто не имеет смысла. Система обогревает полы едва ощутимо, но как только наступит сезон холодов или облачной погоды, вы почувствуете разницу. Когда коллектор находится в спящем состоянии, пол заметно охладеет, и тогда включается резервный топочная камера.

Для установки системы необходимо, чтобы пол не был изолирован, а полупроводниковый канал (или подвальное помещение), включая подвальную вентиляцию, также был герметичен и хорошо изолирован. Желательно, но не обязательно, не стелить на пол ковры, чтобы тепло могло свободно распространяться по всему помещению. Конечно, у данной системы потеря тепла больше, чем у других, но это недостаток с лихвой восполняется высокой производительностью и отсутствием сквозняков, благодаря работе при низкой температуре.

Для системы полупроводникового канала сеть воздуховодов должна быть минимальной, но обеспечивать хорошее теплораспределение. Лучший способ – это направлять теплый воздух из коллектора через трубу в северную (или самую холодную) часть дома, который затем циркулирует к возвратному клапану коллектора, располагающемуся в южной части дома. Насадка тройникового типа на конце выходного канала обеспечивает более равномерное распределение воздуха в подвальном помещении. Систему теплораспределительных труб в подвале можно оставить неизолированной, поскольку даже в случае утечки воздуха, его тепло помогает нагревать пол.

Foundation Section (fiberglass insulation fastened onto rim joist and down to floor of crawl space) – отсек фундамента (стекловолоконная изоляция крепится балками по периметру и к полу отсека);

Crawl space – подвальное пространство;

Staple insulation to subfloor – подпольная изоляция;

Blower – вентилятор подачи воздуха;

Differential thermostat – дифференциальный термостат;

Plastic vapor barrier – пластиковая паронепроницаемая кладка;

Rigid insulation against foundation – жёсткозакреплённая изоляция у стенок фундамента;

Return air sensor – датчик температуры потока воздуха на возврате;

Collector sensor – датчик коллектора;

Air filter – воздушный фильтр;

Backdraft damper – заслонка обратной тяги;

Radiant heat – тепловой поток.

Рис. 2-2: Можно использовать производительность маленького коллектора, пустив нагретый воздух через полупроводниковый канал (или подвал). Система регулирования и проводки довольно простая. Дифференциальный термостат запускает вентилятор, когда температура коллектора выше температуры в подвале, а заслонка обратной тяги препятствует утечке тепла ночью. В дневное время и вечером теплый воздух поступает в помещение через пол. Чтобы система работала эффективно, необходимо изолировать фундаментный отсек по всему периметру, а на почву положить пластиковую паронепроницаемую кладку, чтобы предотвратить испарительное охлаждение.

Элементы регулирования системы.

Элементы регулировки и система труб очень простые. Стандартный дифференциальный термостат (глава 6) запускает вентилятор, как только температура пластины коллектора становится выше температуры воздуха в подвале, и выключает его, как только коллектор остывает. Односторонняя заслонка обратной тяги, или приводной клапан, установлена на пути возвратного потока воздуха, что предотвращает утечку тепла в ночное время.

Данная система отлично подходит любителям мастерить, так как она проста и эффективна, к тому же доступна в цене. В будущем Вы можете добавить к ней более сложную систему распределения или нагреватель воды для хозяйственных целей.

В большинстве системах с полупроводником теплоаккумуляторы ограничены по температурным параметрам из-за температуры окружающей среды подвала и пола сверху. Коллектор успешно поддерживает температуры помещения с утра до ночи, а ближе к утру включается резервный источник подачи тепла. Можно усовершенствовать работу аккумулятора, направив подогретый воздух в большой полиэтиленовый контейнер, закрепленный в подвальном пространстве. Он делается из толстой черной полиэтиленовой пленки длиной 3,5 или 4,5 метра: расстелите ее по центру подвального помещения, а края прижмите камнями или кирпичами. Когда коллектор включен, контейнер наполняется, и таким образом теплый воздух лучше контактирует с поверхностью земли и стенками подвала. Затем воздух проходит через контейнер и возвращается в северный конец. Ночью, когда коллектор выключен, контейнер сдувается, а тепло от земли теперь поднимается вверх и обогревает пол помещения. Когда используется такой контейнер, почва нагревается больше, чем воздух в подвальном помещении, а затем снабжает помещение теплом в ночное время. Контейнер может легко заменить систему теплораспределителей, которая в недорогих установках обходится дороже всего. Однако, этот способ Вам не подойдет, если уровень грунтовых вод слишком высок, потому что тогда вода будет уносить тепло из почвы.

Сохранение тепла с использованием систем на основе полупроходного канала.

Кто сказал, что в системах на основе полупроходного канала не сохраняется тепло? Если в обычном каркасном доме сложить балки перекрытия, настил и напольное покрытие, то толщина всей этой древесины будет примерно 5-6 см. Масса древесины, использующейся для постройки таких домов, обычно составляет около 32 фунтов на кубический фут (50 кг/м3), так что в одноуровневом доме площадью 100 м2 вес древесины, пущенной на пол, составляет примерно 2800 кг. Способность дерева сохранять тепло в полтора раза больше, чем у камня, поэтому деревянный пол площадью 100 м2 может сохранить столько же тепла, сколько 4-тонный каменный. Каждые 10 кв. метров такого пола эквивалентны 20 куб. сантиметрам каменного. Так как температура пола в доме может колебаться в пределах 15-20°C, то сам пол (не считая стен, мебели, фундаментных опор и почву в подвальном помещении) может сохранить всё тепло, генерируемое коллектором, что составляет около 10% общего полового покрытия дома. Тепло распространяется постепенно, таким образом, создавая комфортные условия даже при невысоких температурах.

Системы прямого использования.

Пропускать теплый воздух через подвальное помещение – это вполне эффективный способ использования солнечной энергии. Однако в некоторых случаях лучшим решением будет пускать воздух напрямую в жилое помещение. Данный метод сокращает потерю тепла, и Вам не придется долго ждать, пока прогревается здание. Это становится огромным преимуществом для домов, где отопление необходимо лишь в дневное время.

Установка зонального нагрева – наилучший способ использования солнечного тепла. Вместо того чтобы отапливать целый дом при помощи недостаточно большого коллектора, Вы направляете нагретый воздух только в те комнаты, где он действительно необходим. Зональное отопление – это также хороший способ использовать коллектор не только в качестве теплогенератора, но использовать его с большей пользой. Вы наверняка бывали в домах с неравномерным распределением тепла, например, где гостиную приходится прогревать до 27°C, только чтобы достичь нормальной температуры в смежных комнатах. А если добавить жара в холодные комнаты, то общий объем производимого тепла значительно снижается.

Напоминаем, что поскольку коллекторы подобного типа генерируют температуры ниже, чем традиционные системы отопления, воздух должен подаваться в жилое помещение медленно, чтобы не создавалось ощущение сквозняка. Но в то же время, Вы захотите, чтобы коллектор генерировал как можно больше теплого воздуха и работал с наибольшей эффективностью. Следовательно, Вам понадобятся несколько ответвлений воздуховода для распределения теплого воздуха, поскольку нельзя пускать весь воздух из коллектора только в одну комнату. При использовании систем данного типа необходимо установить не слишком мало, но и не слишком много вентиляционных труб, чтобы не понести большие расходы и не иметь затруднений при установке. Если сеть воздуховодов имеет слишком много ответвлений, это грозит чрезмерной утечкой тепла даже при хорошей изоляции (которая необходима для данной системы). Особенно важно это учитывать, если воздуховоды проложены на верхнем этаже или мансарде, так как при утечке воздух будет уходить сразу в атмосферу. Слишком длинные ответвления также представляют трудности, так как дают больше нагрузки на вентилятор подачи, не говоря уже о стоимости.

Элементы для систем прямого использования почти те же, что и для систем на основе полупроходного канала, только вместо дифференциального термостата для контроля работы вентилятора подачи воздуха устанавливается дистанционный термостат. Данный термостат запускает вентилятор при относительно высокой температуре (40 – 50°C), потому что в системах прямого использования используется более горячий воздух для создания комфортных условий. На трубе забора холодного воздуха имеется клапан обратной тяги, а воздух забирается непосредственно из жилого помещения, а не из подвала.

Недостатком можно считать невозможность контролировать работу системы. Теплый воздух начинает поступать в жилую зону, как только коллектор прогревается до нужной температуры, независимо от температуры воздуха в помещении. Поэтому, после того как помещение достаточно нагрелось, можно сбрасывать лишнее тепло в специально оборудованное пространство (не относится к коллекторам малого размера относительно размеров дома). Решение – системы, имеющие двойной режим работы.

Двухрежимные системы.

Двухрежимные системы генерируют тепло в разных режимах, в зависимости от потребностей дома, поэтому им требуется более сложное электрическое регулирование, в отличие от предыдущих двух систем. Как правило, это окупается только в том случае, если коллектор большой (более 15 – 20% обогреваемой поверхности пола) и вырабатывает больше тепла, чем необходимо на единицу помещения. Для двухрежимной системы существует множество вариантов. Один из них – это комбинирование системы прямого использования и системы на основе полупроводникового канала. Ещё один – комбинация системы прямого использования и солнечной системы нагрева воды для бытовых нужд. И наконец, третий вариант – объединение двух систем прямого использования для обогрева двух разных частей дома.

Двухрежимная система отлично подойдет для домов, использующих центральное отопление с принудительной подачей воздуха, так как сеть трубопроводов уже установлена и ее можно смело использовать для распределения как воздуха из коллектора, так и из котла, теперь использующегося в качестве резерва. На рисунке 2-3 изображена схема подключения двухрежимной системы к печи центрального отопления. Заметьте, что необходимо два термостата. Один – дистанционный термостат (коллектора); он контролирует работу вентилятора подачи воздуха и расположен вблизи коллектора, а термочувствительный зонд закреплен внутри коллектора. Второй – двухуровневый термостат, который контролирует двухрежимную систему и печь. Термостат коллектора должен иметь диапазон регулирования от 90 до 140°F (30 – 60°C) для посезонной регулировки. Термостат коллектора и вентилятор подачи теплого воздуха функционируют независимо от системы: когда коллектор нагревается, включается вентилятор.

Vertical collector – вертикальный коллектор;

Remote bulb – дистанционный термопатрон;

Radiant heat from basement – тепло распространяется из подвала;

Return from living area – возвратный поток из жилого помещения;

2-stage thermostat – двухступенчатый термостат;

Warm air – теплый воздух;

Backdraft dampers –клапаны обратной тяги;

Motorized damper – приводной клапан;

Air return from other rooms to furnace – возвратный поток воздуха в топку из других комнат;

Blower – вентилятор подачи воздуха;

Solar tie-in – соединение плетей трубопровода коллектора;

Duct to other parts of house – воздуховод в другие части дома;

Existing furnace – действующая топка центрального парового отопления;

Backdraft dampers – клапаны обратной тяги;

Furnace flue – жаровая труба;

Return to furnace – возвратный поток в топку.

Рис. 2-3: Двухрежимная система устроена проще, чем кажется на первый взгляд. Как только пол остывает (при включенном коллекторе) нагретый солнечной энергией воздух посылается в установленную ранее трубу и нагревает жилое помещение. Как только пол нагрелся до нужной температуры, приводной клапан переключается в другой режим и воздух начинает поступать в подвальное помещение и сохраняется там благодаря бетонным стенам. Заметьте, что необходимо два возвратных канала для коллектора, и каждый имеет клапан обратной тяги.

Двухуровневый термостат работает независимо от термостата коллектора, он установлен на месте крепления обычного бытового термостата. Заданные значения отличаются примерно на 3 градуса. Когда в доме становится прохладно и необходимо отопление, включается первая фаза, открывая приводной клапан таким образом, чтобы нагретый солнечной энергией воздух поступал по трубам топки, но только в том случае, если включен сам коллектор. Затем нагретый воздух направляется по трубопроводу. Так как обычно вентилятор подачи в коллекторе меньше, чем у топки, то воздух, нагретый до 40 – 50°C проходит в помещение через несколько вентиляционных решеток. Однако если коллектор недостаточно прогрелся, его вентилятор не запустится. В таком случае, когда температура воздуха в доме опустится еще на 3 градуса, термостат печи перейдет во второй режим, и она начнет работать. Итак, главная роль в отоплении принадлежит коллектору, но если он недостаточно прогревается, то эта роль переходит к печке. Когда вентилятор подачи воздуха коллектора выключен, клапан находится в таком положении, что не пропускает теплый воздух из печи в коллектор.

Все это происходит в первом режиме работы данной системы. Теперь перейдем ко второму режиму. Скажем, во втором режиме коллектор обогревает подвальное помещение. В зимний солнечный день коллектор хорошо прогрет, и вентилятор подачи воздуха работает на полную мощность, но в доме уже достаточно тепло. Приводной клапан, получив сигнал от двухступенчатого термостата, автоматически переключается в режим подачи воздуха в подвальное помещение. Как видно из рисунка 2-3 это тот же второй режим термостата, только теперь работает независимо функционирующий вентилятор, подавая теплый воздух в подвал. Подвальное помещение используется в качестве временного резервуара, таким образом, дом не перегревается. Если же в осенний или весенний период всё-таки произойдет перегрев, что маловероятно, можно поменять настройки термостата коллектора, снизив интенсивность потока воздуха, спускающегося в подвал.

Обратите внимание на то, что данная система имеет два возвратных канала для потока воздуха – один в комнате, а другой в подвале, так как в разных режимах воздух выходит из разных помещений. В обоих каналах есть заслонка обратной тяги, чтобы предотвратить утечку воздуха через возвратный канал коллектора ночью. Еще одна заслонка должна быть установлена на вытяжной воздухораспределительной решётке печи или на распределительной камере возвратного воздуха, чтобы предотвратить утечку воздуха в печной возвратный канал. В нашем примере воздух выходит из верхней части коллектора, а значит, ночью не будет происходить воздухообмен в подводящем воздухопроводе, поэтому здесь клапан обратной тяги не нужен.

При подключении двухрежимной системы к системе центрального отопления происходит хорошее распределение горячего воздуха по всему дому. Трубопровод центрального отопления сконструирован таким образом, что вмещает мощный поток воздуха, подаваемого вентилятором, поэтому горячий воздух из коллектора, который движется медленнее, может без труда проходить через систему труб, таким образом, усиливая обмен на одних участках, и замедляя на других. Если через более короткие участки проходит недостаточно воздуха, это можно исправить, закрыв заслонки в полу (обычно устанавливается для систем центрально отопления с принудительной подачей воздуха), которые отделяют ответвления воздуховода от печи.

Одним из самых приятных достоинств двухрежимной системы является то, что работая независимо друг от друга, солнечный коллектор и печь используют одну систему воздуховодов. Как правило, двухрежимные системы дороже систем на основе полупроводникового канала, и те, кто любят устанавливать все самостоятельно могут предпочесть вторые из-за их простой конструкции. Позже можно добавить еще распределительную систему, чтобы по утрам дом быстрее прогревался.

Подключение к другим отопительным системам.

Двухрежимную систему можно подключить и к другим отопительной системе, например, к электрической или к плинтусному отоплению на горячей воде. Если у Вас нет никакого другого отопления, нужно встроить заслонку через половое покрытие и подсоединить ее к системе воздуховодов с помощью трубы. Напоминаем, что важно иметь достаточно воздуховодов, чтобы предотвратить резкие порывы горячего воздуха. В таких системах на стене рядом с термостатом контроля плинтусного отопления крепится отдельный одноступенчатый термостат. Его необходимо установить на 2 – 3 градуса, чем резервный термостат, чтобы они работали одновременно, как описанный выше двухступенчатый термостат. Подобная двухрежимная система – это лучшее решение в ситуации, когда у Вас проведено электрическое плинтусное отопление, к которому невозможно подключить солнечную нагревательную систему.

Солнечная система нагрева воды.

Плата за подогрев воды для хозяйственных нужд обычно составляет большую часть счета за коммунальные услуги, и самое практичное решение этой проблемы – установить солнечную систему нагрева воды. Воздушные нагревательные системы устанавливаются не только в отопительных целях, но также для подогрева воды, и эффективно работают не только зимой, а круглый год. В некоторых регионах выгодно установить отдельную систему для нагрева воды, но эффективность такой системы нужно сравнить с эталонной солнечной системой отопления для нагрева воды, которая чаще всего используется для таких целей (см. главу 10).

Коллекторы для подогрева воды чаще всего устанавливаются под углом (как правило, под углом продольного наклона относительно широты, плюс-минус 5 градусов), а не вертикально, чтобы с наибольшей эффективностью использовать угол падения солнечных лучей. Эти системы работают при более высоких температурах, чем системы для отопления помещений, так как для нагрева воды до нужной температуры (40 – 50°C) необходимо высокопотенциальное тепло.

Системы, которые используют воздух для подогрева воды, имеют воздухо-водяной теплообменник. Существует несколько вариантов теплообменника. Самые распространенные – это туннельный радиатор (змеевик с вентиляторным обдувом или змеевик из оребрённых труб) и ребристый теплообменник бакового типа. Теплообменник радиаторного типа размещается внутри воздуховода и забирает циркулирующий горячий воздух. Рядом с вентилятором подачи воздуха закреплен небольшой насос, благодаря которому вода циркулирует через теплообменник во время работы коллектора. Затем подогретая вода отправляется в резервуар, из которого подается в водонагреватель. Потом водонагреватель доводит температуру воды до нужного уровня, если необходимо. В данном случае в системе воздуховодов необходим приводной клапан, который плотно закрывается, изолируя теплообменный змеевик от коллектора в ночное время, в случае если змеевик расположен ниже уровня входного канала коллектора. Ночью вода не должна циркулировать через теплообменник, так как даже тоненькая струйка холодного воздуха может заморозить стоячую воду, и теплообменник прорвется. Оптимальное решение в данном случае – при конструировании расположить обменник выше уровня входного канала так, чтобы холодный воздух не мог просочиться в трубу и попасть в теплообменник.

В ребристом теплообменнике бакового типа бак предварительного нагрева служит в качестве теплообменника. Пластины, закрепленные снаружи бака, забирают горячий воздух из циркулирующего потока и передают его тепло воде внутри бака. Эта система также эффективна, как и туннельный радиатор. Она менее дорогая и проста в обращении, так как не требуется насос. Замерзание бака маловероятно, но, тем не менее, плотно закрывающийся клапан необходим.

Для подогрева воды в летнее время также отлично подойдет установленный под углом конвекционный коллектор. Можно использовать маленький вентилятор подачи воздуха только для летнего периода, или вентилятор подачи с переменной скоростью вращения, или вентилятор с регулируемой скоростью. Он помогает воздуху циркулировать через воздухо-водяной теплообменник. Система данного типа полностью обеспечит всю семью горячей водой на все лето. Также можно установить распределительный клапан, пустив воду в обход стандартного водонагревателя, чтобы горячая вода поступала только из бака предварительного нагрева.

Если Вы собираетесь использовать коллектор и для подогрева воды и для отопления помещения, отличным решением послужит система с двумя режимами. В зависимости от сезона регулируемый термостат, установленный на баке предварительного нагрева воды, контролирует интенсивность потока воздуха из коллектора, который нагревает воду. Зимой термостат нужно установить на невысокую температуру около 45°C, а после того, как вода нагрелась до этой отметки, поток горячего воздуха начинает использоваться для отопления. Летом на термостате устанавливается температура повыше (около 80°C), и нагретый солнечной энергией воздух циркулирует по замкнутому контуру от коллектора к воздухо-водяному теплообменнику. В качестве примера подобной двухрежимной системы можно привести двухрежимную систему нагрева воды/помещения, описанную в главе 12.

Фото 2-2: Теплообменник бакового типа легко сконструировать и подключить к активной солнечной воздушной системе. На рисунке представлен теплообменник с оребрённой поверхностью емкостью 50 галлонов (≈200 литров). Он подключен к двухрежимной системе, и используется для подогрева воды в летний период.

Теплоаккумулирующая система.

Система с резервуаром для аккумуляции тепла имеет несомненные преимущества по сравнению с предыдущими системами. Наличие аккумулятора позволяет использовать коллектор большого размера, поскольку все лишнее тепло сохраняется в специальном резервуаре и позже используется для поддержания нормальной температуры помещения ночью, в то время как в некоторых других системах оно попросту растрачивается. Аккумуляторные системы позволяют использовать большие установки гораздо эффективнее, они более удобны, но стоят больше из-за гравийного бункера и необходимости добавления средств контроля (клапаны и т.п.). В итоге стоимость данной системы сравняется со стоимостью коллектора.

Прежде чем установить аккумулятор подумайте, подойдет ли такая система к размеру коллектора. Размер коллектора должен составлять 20% от площади обогреваемого пола (смотрите главу 3), и не менее 20 кв. метров, иначе установка аккумулятора не выгодна. Если коллектор меньше, то лучше установить систему на основе полупроводникового канала или прямого использования, которая будет отапливать две-три комнаты. Элементы регулировки и клапанов довольно простые и недорогие, а потому система быстро окупится. Но дополнительные затраты на аккумулятор окупятся, только если коллектор и сам аккумулятор достаточно большого размера, чтобы обеспечить теплом большую часть дома.

Рис. 2-4: Для нагрева воды для хозяйственных нужд необходим воздухо-водяной теплообменник. В трубу можно вмонтировать змеевиковый теплообменник, который будет использовать теплый воздух, поступающий от коллектора. Затем насос прокачивает подогретую воду в аккумулятор. Также можно установить теплообменник бакового типа: он передает теплый воздух прямо в аккумуляторный бак.

Coil-type heat exchanger – змеевиковый теплообменник;

Existing water heater – действующий водонагреватель;

Collector sensor – датчик коллектора;

Storage tank – теплоаккумулятор;

Tank sensor – датчик бака теплоаккумулятора;

Differential thermostat – дифференциальный термостат;

Backdraft damper – клапан обратной тяги;

Blower – вентилятор подачи воздуха;

Motorized damper – приводной клапан;

Pump – насос;

Cold supply – подача холодной воды;

Hot to house – горячая вода на выходе;

Return – обратная труба;

Tank-type heat exchanger – теплообменник бакового типа.

Второй фактор, который необходимо учитывать при выборе данной системы – достаточно ли у Вас места для размещения большого гравийного бункера. Желательно установить его под жилым помещением или даже нутрии него, но ни в коем случае не снаружи, чтобы не допустить потери тепла. Для его установки должен быть вертикальный габарит 2 – 2,5 метра, а также 2,3 – 3,2 кв. метра пола. Не желательно устанавливать низкопрофильные бункеры с горизонтальным потоком воздуха, потому что горячий воздух имеет склонность подниматься вверх, а потому неравномерно распределяется в бункере. Гравийный бункер легче и дешевле установить в новые конструкции, но это не значит, что нельзя модифицировать уже имеющуюся систему. Просто нужно тщательнее всё рассчитать. В новых домах также проще подводить систему подачи из резервуара к резервному отоплению, поскольку обе установки будут использовать одну сеть трубопровода.

Главное преимущество использования аккумулятора – это возможность установки большого коллектора, размеры которого превосходят потребности в обогреве. Поэтому генерируемое тепло можно использовать ночью и в облачную погоду. На рисунке 2-4 изображена простая четырехрежимная система с одним вентилятором подачи, который контролирует три этапа: коллектор отапливает помещение, коллектор нагревает аккумулятор и аккумулятор отапливает помещение. А резервная топка, подключенная к тому же трубопроводу, поддерживает четвертый этап, когда солнечная энергия недоступна. Другие конструкции имеют два вентилятора подачи или обходной канал для подогрева воды в летний период, когда отопление помещения не нужно. Все эти функции действительно выглядят запутанно, но мы подробнее поговорим о них в главе 11.

Гравиевый слой под бетоном.

Существует ещё один вариант конструкции на основе гравийной подушки, которая стелется под бетонный пол на грунтовом основании. Нагретый солнечной энергией воздух пропускается через гравий, а потом нагревает бетон и отапливает помещение. Эта система похожа на системы отопления с обогревающим полом, которые были популярны в 50-х годах. В этих установках вода перекачивалась по трубам, заложенным в бетон. Распределительная воздушно-тепловая система никогда не дает течь, как случалось с системами горячего водоснабжения. Поскольку замкнутый контур системы солнечной энергии ограничен жилым пространством, она работает при невысоких температурах (20 – 25°C); таким образом, повышается производительность и эффективность коллектора и не создается никаких сквозняков.

Рис. 2-5: В этой четырехрежимной системе резервная топка интегрирована в трубопровод коллектора/аккумулятора.

System Components for 4-Mode System – компоненты системы с четырьмя режимами;

Collector – коллектор;

Rock storage – резервуар с гравием;

Hot plenum – смесительное пространство горячего воздуха;

Cold plenum – смесительное пространство холодного воздуха;

Back-up heater (in duct) – резервный источник тепла (в защитном кожухе);

Blower – вентилятор подачи воздуха;

Motorized air diverter – приводной перепускной клапан;

Backdraft damper – клапан обратной тяги.

Элементы контроля довольно простые. Дифференциальный термостат запускает вентилятор подачи, как только коллектор становится теплее гравийной подушки, а приводной клапан, закрепленный параллельно с вентилятором, не допускает утечки тепла через систему трубопровода или коллектор.

Для данного типа системы необходим большой аккумулятор, примерно в пять раз больше по весу, чем традиционный гравийный. Если Вы устанавливаете ее в новостройке, особенно с пассивной гибридной системой, то увидите как много у нее преимуществ, однако вмонтировать ее в старый дом будет немного сложно.

Промышленные установки.

Выше мы рассматривали способы использования солнечной энергии в жилых помещениях, но солнечное тепло можно применять и в коммерческой отрасли. Пожалуй, это неплохой вариант для школ, больниц, ресторанов и магазинов, ведь именно таким зданиям необходим постоянный и интенсивный воздухообмен в течение всего дня. Если бы воздух с улицы, который подается в стандартные отопительные установки в таких зданиях, можно было бы предварительно подогреть с помощью большого недорогого коллектора, потребление тепла значительно снизилось. Коллекторы лучше всего работают, генерируя холодный уличный воздух и когда поток этого воздуха достаточно сильный. Поэтому большая часть предварительно нагретого воздуха будет подаваться в отопительные установки даже от маленького коллектора, что экономически выгодно, поскольку расход топлива в традиционных установках снижается, а помещение при этом протапливается очень хорошо. К примеру, здания школ и почтамтов многое теряют, так как в них установлены дорогостоящие гелиоконцентраты с системой слежения за солнцем, а ведь они могли бы использовать экономически выгодные нагреватели. Они могут установить воздухонагреватели большего размера и по меньшей цене, почти за четверть цены геиоконцентратов, а эффективность будет та же.

Рис. 2-6: Данная техника аккумулирования нагретого солнечной энергией воздуха включает продув теплого воздуха через изолированную гравиевую подушку, проложенную под бетонным полом. В такой системе коллектор функционирует очень эффективно, нагревая пол до нужной Вам температуры, который в свою очередь излучает тепло в помещение. Ночью клапаны предотвращают утечку тепла из аккумулятора.

Collector sensor – датчик коллектора;

Blower – вентилятор подачи воздуха;

Backdraft dampers – клапаны обратной тяги;

Differential thermostat – дифференциальный термостат;

Motorized damper – приводной клапан;

Rock bin sensor – датчик гравийного бункера;

Hot plenum – смесительное пространство горячего воздуха;

Cold plenum – смесительное пространство холодного воздуха;

Insulation and vapor barrier – изолирующая и паронепроницаемая прокладка.

Солнечные нагреватели также эффективны в фермерском хозяйстве. Для сушки зерна в осенний период можно использовать портативные солнечные сушилки, а на зимнее время переместить их к южной части здания или надворной постройки, и использовать сушилку для отопления помещения. Для сушки зерновых культур обычно требуется более мощный поток воздуха, чем для отопления, поэтому если Вы хотите использовать один коллектор для разных целей, Вам понадобится либо вентилятор подачи воздуха с регулируемой скоростью вращения, либо два отдельных вентилятора.

Сельскохозяйственные коллекторы также эффективны для предварительного нагрева воздуха там, где необходим постоянный воздухообмен, например в помещении для опороса свиноматок или коровнике. В данном случае они могут оказаться даже более полезными, чем коллекторы для отопления жилых помещений, поскольку даже воздух, нагретый до относительно невысокой температуры, может использоваться с огромной пользой.

Страница основана на основе перевода PDF.

На главную