Почти половина всей производимой энергии используется для обогрева воздуха (например, в Швейцарии около 46%). Солнце светит и зимой, но это рассеянное и прямое излучение обычно недооценивается.

Декабрьским днем недалеко от Цюриха физик А. Фишер ге­нерировал пар; это было, когда солнце находилось в своей са­мой низкой точке, а температура воздуха была 3° С. Днем поз­же солнечный коллектор площадью 0,7 м2 нагрел 30 л холодной воды из садового водопровода до +60° С.

Солнечная энергия зимой может легко использоваться дЛй обогрева воздуха. Весной и осенью, когда часто бывает солнеч­но, но холодно, солнечный обогрев помещений позволит не включать нефтяное отопление. Это дает возможность сэконо­мить часть энергии для работы всей системы. Для домов, ко­торыми редко пользуются, или для сезонного жилища (дачи, бунгало, кемпинги), обогрев на солнечной энергии особенно по­лезен зимой, что исключает чрезмерное охлаждение стен, пред­отвращая разрушение от конденсации влаги и плесени. Таким образом, ежегодные эксплуатационные расходы в основном снижаются. Чтобы согреть дом зимой, не требуется большой поверхности коллектора, но та же установка снабжает дом го­рячей водой летом, когда дачи и кемпинги в основном и исполь­зуются.

Хотя греческий писатель Ксенофонт описал около 2400 лет назад возможное использование солнечной энергии, первые до­ма, в которых пытались использовать солнечную энергию, были построены только между 1930 и 1945 г. Но первые попытки по­терпели неудачу из-за низких теплоизоляционных качеств этих домов: в них было слишком много окон. Эксплуатация «солнеч­ного дома» MJT 1 (рис. 23), построенного в 1939 г., дала инте­ресные результаты (Массачусетский технологический институт, X. С. Хоттел, Б. Б. Воертс). Это экспериментальное здание пло­щадью примерно 46 м2 с солнечными коллекторами площадью 37 м2, установленными на* солнечной стороне крыши под углом 30°. Коллекторы работают на воде, поглощающие поверхности и трубы из меди, остекление тройное, аккумуляторы — на 62 тыс. л воды, которая к концу лета нагревалась до 75° С. Го­рячая вода нагревала воздух в помещении. Этот дом определил первые проблемы, связанные с использованием солнечного обо­гревания, например: течь водяных баков, поломка коллекторов при термальном расширении, недостаточное утепление и доро­говизна секций накопительных аккумуляторов. На рис. 24, 29, 30 показаны системы других отопительных систем на воде.

В этот период уже были обоснованы основные составные час­ти солнечной отопительной установки: солнечный коллектор

(водяного или воздушного типа, концентрирующий или нет); теплоноситель для аккумулятора (вода, камень, бетон или хи­мические материалы, сохраняющие тепло); теплоноситель для отопления помещений (вода, воздух или химикалии); нагрева­тельные приборы (радиаторы, трубы, проложенные под полом, и т. п.). В зависимости от требований они могут комбинировать­ся в различных вариантах. Детально эти компоненты анализи­руются в гл. 6.

Поиски технически и экономически удовлетворительных ре­шений привели к появлению сотен патентов в разных частях света, многие из них были осуществлены и испробованы. Неко­торые из наиболее известных описаны ниже.

‘ , у. *v. у. —. V* *	Ч

Рис. 23. Солнечная отопи­тельная система MIT-1

1 радиация; 2 — водяной сол­нечный коллектор; 3 — промежу­точная зона; 4 — циркуляцион­ный насос; 5 — накопительный бак для горячей воды; 6 — теп­лый воздух, обогревающий жи­лое пространство; 7 — канал для возврата воздуха; 8 — жилое пространство; 9 — утеплитель

Рис. 24. Водяная солнечно­отопительная система (ос­новной принцип работы)

1 — радиация; 2 — водяной сол­нечный коллектор; 3 — горячая вода, направляемая в накопи­тельный бак; 4 — циркуляция нагретой солнцем воды; 5 —на­копительный бак для горячей ВОДЫ; 6 — циркуляция воды для отопления; 7 — нагревательный

прибор; 8 — холодная вода; 9 — горячая вода; 10 — ввод холод­ной воды; 11 — жилое простран­ство; 12 — подвал

5,2,1, Система MJT. Самый первый «солнечный дом», по­строенный между 1939 и 1959 г., в Массачусетском технологиче­ском институте архитекторами X. С. Хоттелом, Б. Б, Воертсом, А. Г. Диетсом, С. Д. Энгебретсоном, имел водяную отопитель­ную систему, ставшую с тех пор классической (рис. 23). Вода, наполняющая солнечные коллекторы (с одинарным, двойным

и тройным остеклением), поглощала солнечное тепло. Эта теп — — лая вода накачивалась в аккумуляторы, расположенные в под­вале. Горячая вода в аккумуляторах нагревала воздух, кото­рый нагнетался в жилые помещения.

Типичный пример системы МЛ дает «солнечный дом» № 3 (архитекторы, X. С. Хоттел и С. Д. Энгебретсон, 1949 г.). Экспе­риментальное здание одноэтажное, однокомнатное. Площадь пола 55,7 м2. Площадь поверхности солнечного коллектора во­дяного типа 37,2 м2, наклон в южную сторону 57°, двойное остек­ление, цилиндрические аккумуляторы 91 см в диаметре, 9,1 м высоты, емкостью 6750 л. 30% энергии радиации поступает в аккумуляторы. В среднем 90% всех потребностей в отоплении дома удовлетворялись за счет солнечной энергии (в самые хо­лодные месяцы 75—85%). Энергетическая автономия здания (независимость от внешних источников энергии) составляет два дня.

5.2.2. Система Телкеса—Раймонда. В этой системе были впервые установлены в 1948 г. солнечные коллекторы воздуш­ного типаі с аккумуляторами, использующими глауберову соль (Na2SO4-10H2O) (рис. 25).

В солнечных коллекторах нагревался воздух, который по­ступал в химические аккумуляторы. Теплый воздух по каналам направлялся из аккумуляторов в жилые помещения.

Типичный пример —Дом Пибоди в Довер-Масс (США; ар­хитекторы М. Телкес и Е. Раймонд, 1948 г.). Двухэтажный дом, однако второй этаж не отапливается. Солнечные коллекторы воздушного типа площадью 66,9 м2 установлены вертикально с южной стороны. Аккумуляторы тепла емкостью 13,3 м3, напол­ненные глауберовой солью (Na2SC>4-10Н2О). Общий объем ак­кумулятора— 28,3 м3; 80% всех потребностей в отопле­нии дома удовлетворялись за счет солнечной энергии. Запасное обогревание — электрическое. Энергетическая автономия зда­ния— шесть дней.

5.2.3. 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 (рис. 26).

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.

Эстетические и архитектурные проблемы не были решены, но правильность всей системы была доказана. Эта система так­

часто использовалась во мно­гих зданиях с некоторыми изменениями, иногда усовер­шенствованиями.

5.2.4. Система Лёфа. Первая система с воздуш­ными коллекторами и акку­муляторами 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 (рис. 27).

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 кол-

Рис. 26. Воздушная солнечно-отопительная система (основной принцип работы) I — радиация; 2 — солнечный коллектор воздушного типа; 3 — теплый воздух, направляе­мый в 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 холодного воздуха; II — жилое пространство; i2 — подвал

 

Рис. 27. Солнечно-отопи­тельная система Лёфа / солнечный коллектор воз­ душного типа; 2 — движение теплого воздуха (каналы); 3 — движение воздуха для обогрева; 4 — тепловой акку­мулятор с гравием

V

г (

Рис. 28. Солнечно-отопи­тельная система Лефевра I — радиация; 2 — стекло; 3 — теплонакопительная сте­на с наружной поверхностью черного цвета; 4—промежу­точное пространство; 5 — утеплитель; 6 — потолок-теп­лонакопитель; ’ 7 — жилая комната; 8 — отдача тепла; 9 — утепленная стена с се­верной стороны

лекторах, 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.

5.2.5. Система Лефевра. Эта очень интересная и простая си­стема была впервые использована в 1954 г. Стены здания обо — ; греваются посредством вертикально установленных коллекто — ‘ ров и служат аккумуляторами (рис. 28). 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 долезна^я 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.

5.2.6. 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 (см. рис. 63).

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 (см. также гл. 9, § 9.2).

5.2.7.Система Тромба—Мишеля. Эта французская система солнечных домов (патент CRNS Тромба, 1956 г.) основана на принципе накопления солнечной энергии только в массе здания (см. рис. 65) 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.) (рис. 29). 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 теп-

Рис. 29. «•Солнечный дом» в Одейло с вертикальными коллекторами ‘

ле исчисляются 32 тыс. кВт-ч в год, 65% удовлетворяются за счет солнечной энергии. Запасное отопление электрическое. Энергети­ческая автономия здания рассчитана на два дня.

5.2.8. Sky-therm-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 ночыр и накрывают днем, осуществляя таким образом кондиционирование воздуха в помещении (см. рис. 34).

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).

5.2.9. 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, по-

падая на них через стеклянную пластину, нагревает воду (см. рис. 41). 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.

5.2.10 Система Бриджерса— Пакстона. Эта система, разрабо­танная в 1956 г., была одной из первых, где распределение тепла было достигнуто обогреванием пола. Тепло принимается водяны­ми коллекторами. Теплонакопигель 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 конди-

Рис. 30. Система солнечного отопления как дублер системы отопления на жидком топливе (X. Рюеш)

1 — существующая система отопления на жидком топливе; 2 — дополнительное оборудо­вание; 3— двухцелевой бойлер; 4 — газовая горелка; 5 — бойлер с горячей водой; 6 — ра­диатор и теплый пол; 7 —холодная вода; 8 — горячая вода; 9 — радиация; /0 —двух­корпусный солнечный бойлер; 11 — теплообменник; 12 — солнечный коллектор водяного типа; 13 — термостат для регуляционного насоса; 14 — циркуляционный насос

ционирование 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.

5.2.11. 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

1 — солнечный коллектор; 2 — двухкорпусный солнечный бойлер; 3 — теплообменник; 4 — аккумулятор лишнего тепла; 5 — насос для циркуляции используемого теплоносителя; 6 — расширитель для используемого теплоносителя; 7 — термостат для регуляционного насоса; 8 — используемая холодная вода; 9 — термостат; 10 — магнитный клапан пере­лива; 11—выпускной клапан переполненной емкости; 12 — запорный клапан; 13 •—теплый пол; 14 — расширительная камера; 15 — двухцелевой бойлер для различного топлива; 16 — горелка для жидкого топлива; 17 ~ смесительный клапан; 18 — регуляция наружной температуры; 19 — выпускной датчик; 20— наружный датчик; ^ — циркуляционный насос отопления; 22 — двухкорпусный двухцелевой бойлер; 23 — распределитель горячей воды; £4 — горячая вода; 25 — щиток; 26— установка для таяния снега

достичь парникового эффекта. Эта идея также используется в автоном­ном «солнечном доме», который ис­следуется в Кембридже. О нем уже говорилось выше.

5.2.12.

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 Ш85 г. 2 млн.

баррелей нефти может быть сэкономлено ежедневно за счет сол­нечного обогревания.

Эксперименты в Туркмении (СССР) 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 Нёвшателе (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.