CC BY
10СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
SOLAR ENERGY
ЖИЛАЯ СИСТЕМА «САД» С.В. Коровкин
Научно-технический центр «Солярис» гор. Долгопрудный, Московская обл. тел. (495) 409-94-68 e-mail: aerosolar@mail.ru
В статье дано описание жилой системы «САД» (солнечный аккумулирующий дом).
В основу организации системы положены следующие принципы:
1. При температуре наружного воздуха не ниже 0 °С конструкция жилого здания обеспечивает поддержание комфортной температуры в жилых помещениях исключительно за счет тепловыделения находящихся в помещениях людей, тепловыделения бытовых приборов и регенерации тепла в системе вентиляции.
2. Жилое здание помещается в защитную оболочку из прозрачного пластика, внутри которой в течение всего года поддерживается температура не ниже 0 °С. Температурный режим внутри защитной оболочки обеспечивается поглощением и аккумулированием солнечного излучения.
3. Приемником солнечного излучения является вся внешняя поверхность здания.
4. Аккумулирование тепловой энергии происходит в бассейне с водой, размещенном под жилым зданием.
5. Нагрев воздуха внутри защитной оболочки при отрицательной температуре наружного воздуха происходит за счет фазового перехода «вода-лед».
Наиболее важным свойством данной системы является способность поддержания в зимний период в жилом здании комфортной температуры за счет тепла, выделяющегося при замерзании воды.
THE DWELLING SYSTEM "SAH" S.V. Korovkin
The Research-Technical Centre "Solyaris". Dolgoprudnyy, Moscow region, tel. (495) 409-94-68 e-mail: aerosolar@mail.ru
The paper describes a dwelling system called SAH (Solar Accumulating House). The system is organized based on the following principles:
1. At an outside temperature above 0 °C, the house enables maintenance of comfortable temperatures inside its rooms using the heat released by household appliances and heat recovery in the ventilation system.
2. The house is enveloped in a protective transparent plastic enclosure, with the inside temperature maintained at a level above 0 °C all year round. Temperature conditions inside the protective enclosure are maintained due to the absorption and accumulation of solar light.
3. Solar light is received all over the external surface of the house.
4. Thermal energy is accumulated in a water pool under the house.
5. At outside temperatures below zero, the air inside the protective enclosure is heated as a result of the water-ice phase transition. The most important property of this system is its capability to maintain comfortable temperatures in the house in wintertime
due to the heat released by water freezing.
Сергей Викторович Коровкин
Место работы: НТЦ «Солярис», г. Долгопрудный, Московская обл. Должность: генеральный директор. Образование: теплофизик.
Основной круг научных интересов: ядерная и солнечная энергетика. Публикации: журналы «Атомная энергия» - 1, «Энергия, экономика, экология» - 2, «Альтернативная энергетика и экология» - 2. Патенты на изобретения - 4.
S2
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (64) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
m\
Многолетние попытки создания так называемого «солнечного дома» для зоны умеренного климата до сих пор нельзя считать успешными. Причина заключается в географических особенностях зоны умеренного климата. На зимние месяцы, когда жилое пространство здания нуждается в отоплении, приходится минимальная продолжительность светового дня и минимальная интенсивность солнечного излучения.
Традиционные солнечные отопительные системы с приемниками солнечного излучения, устанавливаемые, как правило, на крыше, не способны в зимний период обеспечивать приемлемую температуру жилых помещений. Попытки создания аккумулирующей системы, запасающей летнее тепло, также нельзя считать успешными ввиду чрезвычайной громоздкости и дороговизны подобных систем.
Необходимы принципиально новые идеи и новые инженерные решения.
Одним из таких решений является жилая экологическая система «САД» (солнечный аккумулирующий дом).
В основу организации системы положены следующие принципы:
1. При температуре наружного воздуха не ниже 0 °С конструкция жилого здания обеспечивает поддержание комфортной температуры в жилых помещениях исключительно за счет тепловыделения находящихся в помещениях людей, тепловыделения бытовых приборов и регенерации тепла в системе вентиляции. Это достигается за счет применения эффективных теплоизолирующих материалов, стек-лопакетов и регенеративного вентиляционного теплообменника.
2. Жилое здание помещается в защитную оболочку из прозрачного пластика (рис. 1), внутри которой в течение всего года поддерживается температура не ниже 0 °С. Температурный режим внутри защитной оболочки обеспечивается поглощением и аккумулированием солнечного излучения.
Рис. 1. Жилое здание помещается в защитную оболочку
из прозрачного пластика Fig. 1. Apartment building takes seats in defensive shell from transparent plastic
Принципиальная схема системы представлена на рис. 2.
3. Приемником солнечного излучения является вся внешняя поверхность здания. Достигается это за
счет нанесения на внешнюю поверхность здания све-топоглощающего покрытия.
4. Аккумулирование тепловой энергии происходит в бассейне с водой, размещенном под жилым зданием.
5. Нагрев воздуха внутри защитной оболочки происходит как за счет охлаждения воды в бассейне, так и за счет фазового перехода вода-лед.
Рис. 2. Принципиальная схема системы:1 - жилое здание;
2 - защитная оболочка; 3 - бассейн; 4 - воздуховод;
5 - вентилятор; 6 - насосная установка Fig. 2. Principle scheme for system
Воздух из верхней части защитной оболочки по вертикальному воздуховоду вентилятором подается в пространство между зданием и бассейном.
За счет работы насосной установки с разбрызгивающими насадками разность температур между водой и воздухом над поверхностью бассейна не превышает 1 градуса.
При продолжительной морозной погоде с отрицательными температурами первоначально воздух внутри защитной оболочки нагревается за счет охлаждения воды в бассейне.
После охлаждения воды в бассейне до 0 °С нагрев воздуха происходит за счет тепла, выделяющегося при замерзании воды.
При достаточном запасе воды в бассейне на протяжении всего зимнего периода внутри защитной оболочки поддерживается температурный режим с плюсовой и нулевой температурой.
В пасмурную погоду в дневное время за счет поглощения солнечного излучения при температуре наружного воздуха -5 °С температура воздуха в верхней части защитной оболочки поднимается до +5 °С.
При ясной морозной погоде в дневное время при температуре наружного воздуха -30 °С температура воздуха в верхней части прозрачной оболочки поднимается до +30 °С.
,¿A
■ÁÉ Ei
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (64) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
53
Солнечная энергетика
В светлое время суток при контакте теплого воздуха с водой происходит таяние льда в бассейне.
В летний сезон стены жилого здания укрываются шторами из светоотражающей пленки, а конструкция воздуховода обеспечивает естественную вентиляцию всего пространства внутри защитной оболочки.
Площадь верхнего перекрытия жилого здания практически круглогодично используется для выращивания овощных и декоративных культур.
Для сооружения защитной оболочки используется сотовый поликарбонат, обладающий высоким свето-пропусканием (85 %), низким коэффициентом теплопередачи (к = 3,0 Вт/м2-град), долговечностью (до 30 лет) и относительно низкой стоимостью (150 руб/м2).
Способность системы в зимний сезон поддерживать в жилых помещениях комфортную температуру на уровне +20 °С демонстрируется следующими расчетами:
1. Для дома на семью из 3-х человек размерами 6x10 м наружная поверхность стен и перекрытий составляет = 200 м2.
При толщине утеплителя 5 = 0,2 м и коэффициенте теплопроводности X = 0,04 Вт/м-град мощность тепловых потерь при разности температур между наружным и внутренним воздухом А/ = 20°:
Жт.п. = (Х/5)-А/5 = (0,04/0,2)-20-200 = 800 Вт.
Мощность тепловыделения человека составляет около 100 Вт. Мощность бытовых тепловыделений (электроприборы, приготовление пищи, нагрев воды) оценивается в 600-800 Вт.
При применении вентиляционной системы с регенератором тепла потери тепла с уходящим воздухом не превышают 100 Вт.
Таким образом, тепловая мощность тепловыделения внутренних источников при проживании трех человек составляет 800-1000 Вт, что позволяет при нулевой температуре наружного воздуха обеспечивать комфортную температуру в жилых помещениях, не прибегая к дополнительным источникам энергии.
2. Средняя температура трех зимних месяцев для Московской области минус 6 °С. Для поддержания нулевой температуры внутри защитной оболочки при площади оболочки 5 = 240 м2 и коэффициенте теплопередачи к = 3,0 Вт/м2-град необходима средняя тепловая мощность:
N = к-А/-5 = 3-6-240 = 4320 Вт = 4,32 кВт.
Удельное тепловыделение при фазовом переходе вода-лед г = 334 кДж/кг. На девяносто зимних дней необходим запас воды:
М = (4,32/334)-3600-24-90 = 100576 кг,
что соответствует 100 м3.
В светлое время суток внутри защитной оболочки устанавливается положительная температура, и лед в бассейне тает. С учетом этого фактора для прозрачной оболочки площадью 240 м2 необходимый запас воды на зиму составляет 50 т, или 50 м3.
Для здания размерами 6x10 м средняя глубина бассейна, расположенного под зданием, составит один метр.
Бассейн представляет собой выкопанный в грунте котлован с уложенной на дно в несколько слоев полиэтиленовой пленкой.
Для наполнения бассейна используются атмосферные осадки. Для Московской области величина годовых атмосферных осадков составляет 0,45 м3/м2. На водосборный участок размерами 10x12 м за год выпадает 54,0 м3 воды, что достаточно для функционирования системы в зимний период.
Наличие водосборного бассейна позволяет без дополнительного источника воды организовать водоснабжение для бытовых нужд с суточным потреблением 150 литров.
Температурный режим внутри защитной оболочки позволяет производить слив бытовых стоков в канализационный коллектор, расположенный по периметру жилого здания (рис. 3).
8 й й ? -V 1 ik V-i
Ц у s 'it 1 g
Рис. 3. Канализационный коллектор расположен вокруг жилого здания: 1 - канализационный коллектор;
2 - компостный контейнер Fig. 3. Sewage collector is located around of the building
Канализационный коллектор представляет собой траншею, заполненную песком и древесными отходами. Сверху коллектор засыпан плодородным слоем почвы с быстрорастущей газонной травой. Коллектор позволяет за счет испарения полностью утилизировать бытовые стоки объемом до 50 м3 в год.
Стоки из туалета стекают в компостный контейнер. Контейнер загружается скашиваемой газонной травой и пищевыми отходами. Перепревший компост разбрасывается по травяному покрову.
В таблице приведены основные характеристики жилой экосистемы «САД-3».
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (64) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
Таблица
Основные характеристики жилой экосистемы «САД-3»
ТаЬ1е
Основные характеристики жилой экосистемы «САД-3»
Параметр Единица измерения Величина Примечание
Количество проживающих чел. 3
Габариты защитной оболочки в плане м 9x12
Материал защитной оболочки Листовой поликарбонат 8000x2100x8
Площадь защитной оболочки м2 240
Габариты жилого здания м 6x10
Площадь помещений м2 56
Фундамент Столбчатый бетонный
Материал каркаса здания Брус
Материал стен Фанера
Утеплитель Минеральная вата толщиной 20 см
Окна Стеклопакеты
Перекрытия Дощатые
Объем бассейна м3 60
Электрическая мощность вентилятора в воздуховоде Вт 30
Электрическая мощность насосной установки Вт 10 При температуре снаружи -30 °С
Электрическая мощность регенеративной вентиляционной установки Вт 20
Стоимость «под ключ» РУб 500 000 В ценах 2007 г.
Рис. 4. Жилая система «ПолиСАД» Fig. 4. Inhabited system «PoliSAH»
Следующим уровнем развития жилой системы «САД» является система «ПолиСАД», предназначенная для проживания десятков и тысяч людей (рис. 4). Система «ПолиСАД» обеспечивает гораздо
более высокое качество жизни по сравнению с традиционными городскими и сельскими поселениями при минимальном воздействии на окружающую среду.
г>о
- TATA —
CXJ
. 1 .
t. t.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (64) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
55
