Автономный дом со 100%-м солнечным отоплением

Друзья, выношу на ваш суд свой проект "Автономный дом со 100%-м солнечным отоплением".
Ссылка на оригинал проекта - https://planeta.ru/campaigns/sunny-house/

Кто не мечтал жить в своем доме, на своей земле?
Я свою мечту осуществил - построил свой дом, и теперь не понимаю, зачем люди все еще продолжают жить в многоквартирных бетонных коробках. Но есть у своего дома и минусы. Точнее даже 1 главный минус, особенно у нас в Сибири - свой дом надо отапливать. А это значит либо работать у себя же кочегаром и сжигать тонны угля, либо платить достаточно крупные суммы за автоматизированное газовое или электрическое отопление.
И в обоих случаях бояться того, чтобы система отопления, ни дай Бог, не вышла из строя в самый не подходящий момент.

Меня это не устраивает. И, пытаясь снизить зависимость от отопления, я пошел по пути утепления своего дома и снизил расход угля до 3 тонн в год на дом в 60 квадратов. Для Красноярска (а у нас зимой -40 почти месяц подряд обычное дело) это не плохой результат и гораздо дешевле, чем плата за отопление аналогичной площади в многоквартирном доме. Но меня этот результат не удовлетворил. Я стал думать о солнечном отоплении.

Почему о солнечном отоплении? Ну хотя бы потому, что каждый квадратный метр горизонтальной поверхности в Красноярске в год получает примерно 1000 кВт*ч солнечной радиации в год, что эквивалентно теплу получаемому от сжигания примерно 170 кг каменного угля. Т. е. мои 3 тонны угля спокойно могли бы быть заменены всего лишь 17 квадратными метрами горизонтальной поверхности, освещаемой солнцем. Остался лишь технический вопрос – использовать это солнечное тепло для отопления дома.

По образованию я учитель математики, физики и информатики, потому мне были доступны возможности расчета тепловой эффективности различных проектов домов, отапливаемых солнцем. Столь заманчивые проекты, использующие пассивные системы солнечного отопления, пришлось откинуть первыми. К сожалению, они могут работать только там, где отопление как таковое не особо-то и требуется. В наших широтах, а именно в Красноярске, системы пассивного солнечного отопления могут лишь снизить потребление угля, газа или электричества на отопление в осенне-весенний периоды, но не значительно.

Следовательно, пришлось обратиться к более сложным системам активного солнечного отопления. Т. е. отопления с использованием солнечных коллекторов, циркуляционных насосов, теплообменников и теплоаккумуляторов. Передо мной встала задача - подсчитать количество солнечных коллекторов, которые мне потребуются для отопления дома, с учетом неравномергного распределения количества солнечной радиации в разные месяцы года.

Получалась обидная ситуация - летом, когда отапливать ничего и не нужно - солнца очень много, оно стоит высоко, день длится долго, потери тепла минимальны, а потому даже с самых простых и дешевых солнечных коллекторов можно получить очень много тепловой энергии. Проблема в том, что летом это тепло, в принципе, никому не нужно. Тепло это нужно зимой. А вот зимой солнца мало, оно стоит низко, день короток и потери тепла в системе максимальны.

Результат данных расчетов меня крайне расстроил. Если в осенне-весенний период можно было бы обойтись количеством солнечных коллекторов, которые укладываются в рамки разумного, то для отопления в декабре потребовалось бы более 200 квадратных метров «идеальных» солнечных коллекторов. И это в том случае, если бы, впринципе, существовали эти «идеальные» солнечные коллектора способные работать со 100%-м КПД в условиях 40-градусного мороза, и передавать тепло в систему отопления с нулевыми теплопотерями. Чего, к сожалению, не может быть даже теоретически. Т. е. на практике ими требовалось бы застелить целое поле, что никак не укладывалось в мои возможности, как и в возможности более чем 90% населения России.

При этом зимой, естественно, температура воздуха значительно ниже нуля, следовательно, высоки потери тепла. Кроме того, в систему солнечного отопления необходимо заливать уже дорогой антифриз, вместо бесплатной воды, хотя бы исходя из того что простая вода в этих коллекторах и трубах замерзнет первой же морозной ночью. Простые и дешевые солнечные коллектора уже работать не будут и необходимо использовать более дорогие вакуумные трубки и т. д.

В общем, летом, когда солнечного тепла много – потребность в нем минимальна, а зимой, когда потребность в нем максимальна – его либо нет, либо добыть его ну очень дорого.

Вот если бы это летнее солнечное тепло как-то законсервировать?..

И правда! Мы ведь не умираем с голоду каждую зиму от того что зимой под снегом у нас ничего не растет? Тысячелетиями наши предки учились сохранять дары земли, полученные осенью, что бы потреблять их зимой и весной. Почему же мы не можем так же законсервировать летнее тепло? На самом деле можем. И непросто можем - летнее тепло консервирует природа и без нас. Кто живет в своем доме, не раз мог наблюдать это чудное явление природы, например, спускаясь в свой погреб. Как бывает удивительно, когда на улице уже мороз, спускаешься в погреб, а там Вас согревает такое приятное тепло... Люди заметили это чудное свойство земли еще в глубокой древности.

И потому многие строили себе жилища именно под землей. Да что люди - большинство животных стрит себе подземные убежища.

Почему же сейчас люди живут не под землей, в отличии от лисиц, грызунов и множества насекомых? Дело в том, что под землей температура хоть и стабильная, но не вполне для человека комфортная - в наших широтах это около 5 градусов тепла. Не замерзнешь, конечно, но и не согреешься толком.

Но что нам мешает подогреть её? Отдать ей побольше тепла летом, что бы она согрела наше жилище зимой?

Данные размышления привели меня к проекту дома, который сможет и зимой отапливаться энергией солнца, запасенной в течении лета.

Знания элементарной физики и простейшие расчеты позволили откинуть множество вариантов и остановиться на системе, в которой тепловая энергия, получаемая в простейших солнечных коллекторах, будет закачиваться в подземные скважины глубиной не более уровня грунтовых вод, и оттуда доставляться в дом по мере необходимости. Естественно, грунт - это не такой хороший теплоаккумулятор в сравнении с той же водой. Но водяной теплоаккумулятор необходимой теплоемкости должен был иметь такие внушительные размеры, что я решил остановиться на теплоаккумуляторе грунтовом, в размерах практически не ограниченном. А, по простому, на грунте, который лежит непосредственно под домом. Для него нет необходимости изготовлять огромную емкость, его не надо покупать или закачивать. Он уже есть. Достаточно утеплить его сверху с запасом площади, защитить от атмосферных осадков, которые могут «смывать» наше тепло в грунтовые воды, сделать погрешность на возможные теплопотери в лишние 30-50% и можно использовать! Хочешь объем больше – бери хоть всю планету!

Данная концепция применима и для наземных домов, и для теплиц и для других сооружений, нуждающихся в отоплении в зимний период.

Но я решил пойти по самому простому пути и реализовать данную концепцию применительно к заглубленному жилищу, с открытым южным фасадом и вегетарием.

Во-первых, потому что именно данное жилище обладает очень большой тепловой инерцией и способно само по себе обеспечить прохладу летом и меньшие теплопотери зимой.

Во-вторых, используя открытый южный фасад имеется возможность получить достаточно тепла осенью и весной, снижая тем самым требования к емкости грунтового теплоаккумулятора и площади солнечных коллекторов, необходимых для его нагрева.

В-третьих, теплопотери грунтового теплоаккумулятора, расположенного непосредственно под заглубленным жилищем будут обогревать, преимущественно, грунт вокругздания, а следовательно и само здание.

В-четвертых, использование вегетария на южном фасаде здания так же призвано обеспечить снижение энергопотерь здания в зимнее время, выполняя роль теплового буфера, а также обеспечивать здание теплом в осенне-весенний период, играя роль воздушного солнечного коллектора.

И в-пятых, данный вегетарий способен обеспечить Вас круглый год свежими фруктами, овощами и зеленью.

Как работает система?

Солнечные коллектора, наполненные теплоносителем, нагреваются солнцем. Если в помещении температура ниже заданной, а температура теплоностиеля в солнечных коллекторах выше температуры в помещении, автоматика, или тепловой процессор, забирает тепло от солнечных коллекторов и направляет его непосредственно на обогрев теплого пола в жилом помещении.

Когда температура в помещении достигает заданной комфортной температуры, то тепловой процессор направляет тепло в малый теплоаккумулятор, который представляет собой по сути большую утепленную емкость с водой, выполняющую за одно и функцию бойлера косвенного нагрева для ГВС.

Когда и малый теплоаккумулятор нагревается до заданной максимальной температуры, то излишки тепла направляются в грунтовый теплоаккумулятор, который представляет собой обычные скважины в земле пробуренные под помещением в шахматном порядке на расстоянии 1 метра друг от друга, залитые бетоном, в которые предварительно помещены обычные металло-пластиковые трубы.

Данный грунтовый теплоаккумулятор нагревается все теплое время года, а когда наступают холода, и тепла от солнечных коллекторов для нагрева дома уже не хватает, то грунтовый теплоаккумулятор отдает накопленное летом и осенью тепло дому.

В общем, упрощая - солнечные коллектора в первую очередь греют помещение, потом малый теплоаккумулятор, потом греют грунтовый теплоаккумулятор. Грунту достается излишек тепловой энергии. Уже в апреле это до 50% тепловой энергии, а летом более 90%. Почему не 100% летом? Потому что часть тепла из малого теплового аккумулятора будет уходить на ГВС. А горячая вода нужна и летом.

Также на обогрев дома работает и вегетарий. Когда температура в нем выше, чем температура в помешении, а температура в помщении ниже комфортной, то автоматика направляет это тепло в помещение. Если же температура в помещении достаточна, то излишки тепла из вегетария закачиваются в грунт самого вегетария. Теплоносителем в обоих случаях явлеется нагретый в вегетарии воздух.

В свою очередь вся автоматика работает так же от солнечной энергии. То есть солнце обеспечивает отопление данного помещения кргулый год, не задействуя иные источники.

Таким образом дом в автоматическом режиме, с минимальными затратами электроэнергии (получаемой от солнечных батарей), может круглый год поддерживать заданную Вами комфортную температуру.

Вы же освобождаетесь от забот по заготовке дров, покупке угля, оплате газа, который еще надо к дому подвести, оплате огромных счетов за электричество и т. д. При этом капитальные затраты на строительство данного дома с данной системой отопления оказываются в разы ниже стоимости квартиры аналогичной площади, а затраты на его обслуживание на пару порядков ниже, чем оплата услуг ЖКХ.

Цели данного проекта:

- показать возможность реализации концепции 100%-го солнечного отопления в условиях Сибири, а следовательно и на большей территории РФ и мира в целом.

- популизировать идею использования солнца, как основного источника энергии для отопления жилых и нежилых помещений, теплиц и др. зданий и сооружений в отоплении нуждающихся.

- снизить нагрузку на экосистему планеты за счет снижения объемов выбросов продуктов горения угля и углеводородов, сжигаемых на сегодняшний день для отопления как частных, так и многоквартирных домов, в атмосферу.

- сократить масштабы вырубок лесных массивов, используемых в качестве дров для частного домовладения.

Я уверен, что в случае успешной реализации данной концепции, уже через пару десятков лет представленная нами технология будет уже жутким анахронизмом и человечество изобретет более эффективные средства для аккумуляции солнечного тепла. Вполне возможно, что человечеством будут разработаны недорогие метататериалы с теплоемкостью на порядки большей, чем теплоемкость воды, и возможно, что представленный огромный грунтовый теплоаккумулятор можно будет заменить 1-2 кубометрами данного метаматериала. И возможно представленная концепция будет настолько же далека от технологий будущего, как и радио Попова далеко от современного смартфона, но, так же как и несовершенное радио Попова приблизило нас к смартфону, находящемуся в Ваших руках, реализация данной технологии, безусловно, нас к этому прекрасному будущему приблизит.