Оглавление

«Солнечная губка»

Сделай cам солнечный воздухонагреватель

Дэвид Л. Джонс и Николь Джонс

Что можно сделать после того, как Вы применили некоторые простые методы экономии энергии к своему дому, такие как энергосберегающее освещение, сокращение пассивного энергопотребления, изоляции в стенах и крыше, и переключении на "Зеленую Энергию"? Глядя на наш счет за электроэнергию, мы задались тем же вопросом. Было очевидно, что отопление было доминирующим фактором в зимнее время. Можно ли нагреть наш дом лучше и дешевле, чем нашими текущими масляными радиаторами, или сделать что-нибудь, чтобы дополнить их?

Мы сделали некоторое исследование и обнаружили, что солнечные воздухонагреватели выглядели весьма многообещающими. Недостаток состоял в том, что цены на коммерческие модели были предельно высокие, приближающиеся к 3000$. Это казалось чрезмерным для того, что было похоже на металлическую коробку с несколькими вентиляторами, так что мы решили исследовать эту область далее и посмотреть, могли бы мы спроектировать и сделать наш собственный воздухонагреватель, значительно дешевле. В любом случае, это было бы весело и поучительно!

В результате получилась «Солнечная Губка», активный Солнечный воздухонагреватель, который может быть сконструирован из товаров из местного хозяйственного магазина и установлен менее чем за 500$. В качестве награды его производительность эквивалентна или выигрывает у коммерческих моделей такого же размера!

Как это работает

Солнечные воздухонагреватели существуют в двух вариациях: активные и пассивные. Для циркуляции воздуха в доме Активные используют вентиляторы для движения тепла через коллектор и воздуховоды, в то время как Пассивные полагаются на движение воздуха за счет разницы температур. В обоих случаях холодный воздух собирается из любой, внешней или внутренней части дома (из подвала), нагревается, и затем нагнетается в дом. Пассивные воздухонагреватели имеют специфические требования для монтажа (обычно за окном ближе к земле), так что мы выбрали более универсальный - активный тип воздухонагревателя, который можно было бы монтировать на крыше.

Для начала Вам понадобится коллектор(накопитель) – короб, который собирает теплый воздух. Традиционный дизайн коллектора представляет собой черную металлическую пластину, которая притягивает солнечное излучение и превращает его в тепло, и герметичной полости, чтобы поймать тепло внутри конструкции. По существу, так работает «зеленый дом». Тепло собирается через заднюю стенку пластины (при помощи другой герметичной полости) и циркулирует при помощи вентиляторов. Этот дизайн известен как «сухостойная воздушная зона».

(Internal channel walls -внутренние стенки каналов, Hot air outlet -выпуск горячего воздуха,Cold air inlet-впуск холодного воздуха)


(Collector Surface( Flat Black)-Поверхность коллектора (плоская черная) , Dead air space – сухостойный воздушный зазор, Clear Polycarb Cover – Чистое поликарбонатное покрытие, Aluminium Collector Body with Hardwood Support Frame – тело алюминиевого коллектора с прочной деревянной рамой)


Вот собственно и все. Такой дизайн существует много десятилетий, и коммерческие модели очень популярны в США и Европе.

Есть вариации на этот базовый дизайн, в которых лишь одна перегородка в металлическом коробе и в верхней части стеклянная пластина, и воздух нагнетается через эту единственную запечатанную перегородку. Тем не менее, этому дизайну свойственны большие потери через переднюю панель , которые требуют использования дорогостоящего и хрупкого стекла. Стекло Pillington SunPlus предназначено для этих целей, но оно очень дорогостоящее, гораздо более дорогостоящее, чем вся конструкция «Солнечная Губка» и её установка!

Мы выбрали более дешевое и простое решение, основанное на традиционном дизайне «сухостойный воздушный зазор», и это так же был выбор исходя из наших материалов, который оказался решающим фактором в стоимости и простоте конструкции.

Гальванизированная сталь – традиционный материал, используемый в подобных дизайнах, но мы выбрали алюминий из-за того, что он имеет в 4 раза лучшую теплопроводность по сравнению со сталью. Фактически, мы сконструировали наш собственный коллекторный короб из алюминия, сделав проще работу с различными предварительно сделанными листами и размерами шлангов из местного хозяйственного магазина.

Другой ключевой момент в дизайне Солнечной губки – это использование очень тонкого (менее 1 мм) поликарбонатного листа в качестве крышки. Это решительно дешевле стекла или тоньше 3-х миллиметрового поликарбонатного листа. Поликарбонатное покрытие имеет схожие передающие свойства (около <90%) от предлагаемого низко - железного стекла SunPlus, но не в стоимости. Оно, в то же время, гораздо более прочно и может противостоять граду. Однако, тонкий материал сильнее деформируется в сравнении с более толстым покрытием, но это не имело значительного эффекта на эксплуатационные показатели, да и эстетика не была для нас важна.

Дизайн коллекторного короба был очевидно крайне важным для проекта. Он определенно должен был быть минимального размера и эффективно передавать тепло воздуху, проходящему сквозь него. Дизайн любого солнечного коллектора чаще всего представляет собой хрупкий баланс между интенсивностью воздушного потока, внутренней площадью и потерями в окружающий мир (обратно через поликарбонатную пластину и через боковые стенки короба). Нагнетайте воздух через коллектор слишком быстро и у него не будет времени нагреться, нагнетайте слишком медленно, и он будет нагреваться, но объема его будет недостаточно для обогрева вашей комнаты, и тепловые потери будут огромны.

Вопреки здравому смыслу, более горячая пластина будет в итоге иметь большие потери. Таким образом, Вы хотите минимизировать температуру пластины коллектора, используя в дизайне достаточный воздухоток и рассеивание тепла( радиатризацию). Алюминиевая конструкция солнечной губки – это и вправду оптимум для достижения этого. Но вы можете переборщить и использовать слишком много теплорассеивающего материала, а слишком холодно – это тоже плохо!

Было важно иметь как можно более длинный воздушный путь внутри коллектора, и также иметь холодный воздух, подающийся из дна (наклоненного под углом) коллектора и выходящего из его верхней части. Теплый воздух поднимается, и мы хотели использовать этот факт для увеличения нашей эффективности. Так, проект «Солнечная Губка» был разработан прямоугольным, с более длинными горизонтальными частями, впускным отверстием на дне и выходным отверстием на вершине коллектора. Внутренние каналы были добавлены «змейкой», нагревая воздух по ходу его тока. 1.5 метровый короб эквивалентен 4.5 метрам воздушного пути, эта длина достаточна для сбора достаточного количества тепла. Отверстия так же были просверлены на нижней стороне в квадратных стенках стенок внутренних каналов чтобы помочь измельчать(разбивать) воздушный поток.


Задняя часть прототипа с отверстиями в его деревянной раме.


Мы ориентировались в размерах нашего прототипа коллектора на двух 900х900мм предварительно разрезанных алюминиевых пластинах, что дало нам в итоге 1.6м2 пространства коллектора. Конечно маловато, но для первого прототипа подойдет.

Вентиляторы

(Static pressure – статическое давление, High Resistance System – система высокого сопротивления, 2 Fans Series – два последовательных вентилятора, 1 Fan – один вентилятор, Low Resistance System – система слабого сопротивления , Airflow – воздушный поток, Ideal Perfomance for Two Fans in Series – идеальная производительность для двух вентиляторов в серии(последовательно установленных))


После минимального тестирования было очевидно, что вентиляторы крайне важны для проекта. Они должны иметь правильную мощность, использовать минимум энергии, и должны быть правильно конфигурированы, основываясь на суммарной длине воздуховода.

Вентиляторы могут быть подключены последовательно и параллельно. Вентиляторы в параллели дадут увеличение суммарной скорости воздухотока при низком давлении (короткий воздуховод) и немного сдают при высоком давлении. И наоборот, последовательно установленные вентиляторы дадут высокий прирост скорости воздушного потока при низком давлении( длинный воздуховод), но немного сдадут при высоком давлении. Так что нет смысла иметь 4 вентилятора в параллели при длинном воздуховоде, так как вы не увидите большей производительности, чем от одного вентилятора. График вентиляции иллюстрирует эту концепцию. Так же вентиляторы промаркированы для открытого пространства, и вентилятор 100 об/мин (оборотов-в-минуту) не будет производить 100 об/мин в воздуховоде! Фактически, он будет производить 1/10 от этого значения. Это важно знать при учете энергопотребления и эффективности.

(Static Pressure – статичное давление, High Resistance System – система высокого сопротивления ,1 Fan – 1 вентилятор, Low Resistance System – система низкого сопротивления, 2 Parallel Fun – два параллельных вентилятора, Airflow – воздушный поток, Ideal Perfomance for Two Fans in Parallel – идеальная производительность для двух вентиляторов в параллели)


Типовой солнечный нагреватель при установке будет иметь как минимум 5 метров входного и выходного воздуховода, плюс сам коллектор (грубо говоря еще 5 метров). Эта длина воздуховода будет создавать «высокое сопротивление», ведущее к высокому давлению. Так что нам потребуются два последовательно установленных вентилятора для увеличения нашей скорости воздухотока.

Мы сконструировали две «вентиляторных коробки», обшитых алюминием, использующих два 120 мм х 38 мм 12 вольтовых 107 об/мин вентилятора. Дистанция между вентиляторами должна быть минимальна, дабы избежать потерь от воздушных вихрей.

Мы использовали все вентиляторы на выходящей стороне воздуховода, но в идеале, для увеличения оперируемого цикла движения воздуха (для уменьшения его температуры) они должны быть на входящей стороне.

Без токсинов

Изначально для нас было важно чтобы вся система не содержала токсинов. В конце концов, нет смысла сидеть в теплом доме, если вы дышите токсинами!

Это означало, что весь воздушный путь (за исключением самих вентиляторов) должен был быть сделан из металла, включая коллекторный короб и воздуховод. Таким образом, мы выбрали полностью алюминиевую конструкцию коллектора для улучшения термической производительности, и в тоже время для отсутствия токсинов для окружающей среды. Даже для скрепления короба без токсинов использовался нейтральный компромисс – силикон, и мы использовали алюминиевые заклепки для скрепления всего вместе. Передняя часть пластины коллектора и деревянная рама были покрашены, но они не являются частью воздушного пути.

Солнечная энергия?

Мы (очевидно) думали о запитке наших вентиляторов от солнечных батарей, но потом осознали, что у нас уже есть «Зеленая Энергия», так что мы и так получаем энергию от солнца и ветра. Не говоря уже о том, что стоимость солнечной батареи (50 Ватт) с периодом окупаемости порядка от 50 до 100 лет была бы проблематичной.

Как насчет теплоотвода?

Некоторые виды дизайна позволяют с легкостью отводить тепло летом. Мы думали об этом, но решили что излишние сложности не будут оправданными, учитывая, что Вы можете купить простой вытяжной вентилятор для этих целей.

Конструкция

Все части для конструкции Солнечной Губки доступны в вашем хозяйственном магазине.

Чертежи и фотографии должны предоставить достаточно информации для создания вашего собственного устройства.

Установка

Особо важен угол установки коллектора к солнцу. Таким образом, после того, как будут сделаны большинство установок, необходимо найти компромиссные решения. Некоторые проекты ставят под углом ребра коллектора внутри короба для предположительного увеличения производительности, но это ложное предположение. Ребра под углом не увеличивают общую площадь, обращенную к солнцу. Солнечное излучение будет впитываться одинаково при любом их угле.


Мы прикрепили Солнечную губку к кровельным брусьям, используя 4 гнущиеся монтажные полосы, которые торчат из-под плитки. В тоже время мы обнаружили, что нам нужна увеличенная деревянная рама для удлинения коллектора. Плитки - Tites использовались для замены плиток крыши и позволили воздуховоду проникнуть в крышу.


Во время испытания мы обнаружили, что расположив впуск на потолке наряду с выпуском (даже если они в разных комнатах) мы получили ламинарное течение воздуха вдоль потолка, которое очень неэффективно. В идеале Вы захотите расположить впуск в подвальном уровне, но проект нашего дома не позволяет этого.

Так, в конце мы просто отсоединили впуск воздуховода и стали впускать воздух извне. В качестве бонуса воздуховод у нас теперь короче, циркулирует свежий воздух и нет проблем с ламинарным течением воздуха.

Это, в тоже время, может работать не со всяким климатом.

Заключение

Основываясь на полученных результатах на графике я не думаю, что мы уже достигли максимума скорости воздушного потока для нашего конкретного размера коллектора, должны быть проведены дополнительные исследования в этой области.

В настоящее время у проекта нет контроллера для автоматической работы. Мы планируем добавить просто температурный датчик к пластине коллектора для автоматического включения вентилятора, когда солнце будет нагревать коллектор.

К несчастью, мы закончили Солнечную Губку к концу зимы, и теплейшие зимы еще впереди! Так что у нас не было особо времени для его реального использования. Тем не менее, полученные результаты достаточно впечатляющи для такого маленького коллектора. Хотя прототип Солнечной Губки работает достаточно хорошо, мы чувствуем что он маловат (1.6м2) для нашего большого жилого пространства. Обычно выходное тепло было порядка 500 Ватт в средний день. Не плохо для 25 ваттного вентилятора!

График показывает 3х градусный прирост температуры в нашей жилой комнате, что довольно впечатляюще для такого маленького коллектора.

Прототип показал нам, что Солнечные Воздухонагреватели – доступная и дешевая технология. Несомненно, хорошо сидеть под нагнетаемым вентилятором воздухом в 40° цельсия. Ждем, не дождемся следующей зимы!

Текст основан на переводе страницы. Переводчик Александр Мелешко (Skype: tokugavasan, контактный телефон: +7-926-319-89-35).

На главную