Концепт отопления частного дома с использованием солнечной энергии

(покритикуйте идею)

В настоящем документе описывается концепция системы отопления частного дома при помощи использования солнечной энергии.

Предполагается, что такая система способна обеспечить 100% потребностей в обогреве дома в холодное время года, а также потребностей в использовании горячей воды для бытовых и санитарных нужд.

Представлена общая схема, приводятся приблизительные расчеты для определения объема работ и количества материальных средств, затраченных на строительство, которых было бы достаточно для бесперебойного снабжения дома теплом, без необходимости задействования традиционных способов отопления даже в максимально длительные периоды зимних холодов в средней полосе России, в особенности в климатических зонах с высоким уровнем солнечной радиации и большим количеством солнечных дней зимой.

Обоснование перспективности направления

В настоящее время мировая энергетика находится в процессе ухода от источников энергии, содержащих углерод, таких как уголь, нефть, природный газ, торф и древесина.

Это связано с решениями, принятыми и подписанными ведущими странами мира в ряде международных договоров, наиболее значимым из которых является Парижское соглашение 2015 года, направленное на достижение углеродной нейтральности к 2060 году в целях снижения выбросов CO2 (углекислого газа) в атмосферу, который благодаря парниковому эффекту, приводит к глобальному потеплению антропоморфного характера.

Не вдаваясь в теоретические вопросы о влиянии политики на разработку и реализацию подобных соглашений, следует констатировать факт того что Россия также подписала и ратифицировала данное соглашение, и это обстоятельство будет определять дальнейший рост цен на внутреннем рынке РФ на энергоносители содержащие углерод. В частности, рост цен на такие виды энергоносителей будет обеспечиваться введением углеродного налога, а также санкций, поскольку выпадающие доходы в виде валютной выручки от экспорта углеродосодержащего сырья за рубеж, будут непременно компенсироваться повышением его стоимости на внутреннем рынке.

Вероятны также перебои с поставками и разрушение инфраструктуры поставки (в силу обветшания или иных причин) конечным потребителям углеводородов и энергии произведенной с их помощью.

Ввиду вышеперечисленного, для владельцев частных домов представляется разумной инвестиция в систему отопления, которая была бы полностью автономной и не зависящей от внешних поставок энергии и энергоносителей. В климатической зоне приморского края, такая система может эффективно работать на принципе сбора и хранения тепловой энергии солнечного излучения.

Несмотря на то что изначальные затраты на строительство системы солнечного отопления могут быть велики и казаться невыгодным вложением, потому что срок их окупаемости может составлять более 10 или даже 20 лет при текущих ценах на энергию, есть 2 обстоятельства, которые говорят в пользу такого вложения:

1. Как уже говорилось выше, цены на традиционные энергоносители будут расти. Они растут всё время ввиду инфляции, но сейчас повышается риск драматического для потребителей роста цен, поэтому любые расчеты срока окупаемости системы солнечного отопления вероятно будут с течением времени скорректированы в сторону уменьшения.

2. Помимо чисто экономических причин, автономная система солнечного отопления избавляет своего владельца от проблем по покупке топлива, по растопке котлов, печек, каминов, она также более приятна в использовании, поскольку не загрязняет воздух дымом, не требует утилизации отходов, и не производит шума при своей работе. Экономя время на своем обслуживании своему владельцу, она оставляет ему больше времени для жизни.

Принципиальная схема

Система солнечного отопления состоит из трёх частей.

1. Солнечные коллекторы.

Солнечные коллекторы это плоские панели, направленные к солнцу и конструктивно устроенные таким образом, чтобы собирать тепло солнечного излучения и переносить их в нужное место при помощи трубок, в которых циркулирует теплоноситель. Теплоносителем, как правило, является антифриз или воздух.

Коллекторы могут различаться по цене и коэффициенту полезного действия, чем выше коэффициент полезного действия, тем выше цена коллектора.

Некоторые виды коллекторов (самые дорогие) способны эффективно работать также и в мороз, и даже в пасмурные дни.

Более дешевые виды коллекторов работают в мороз с меньшей эффективностью и почти не способны работать в пасмурные дни.

Желательно использовать коллекторы, которые оптимально сочетают в себе соотношение цены и эффективности.

2. Теплоаккумулятор

Тепло от коллекторов не должно идти сразу на отопление дома, потому что в таком случае дом не будет обогреваться в плохую погоду и ночью.

Поэтому тепло от коллекторов должно направляться в некое физическое тело с высокой теплоемкостью, а уже оттуда отбираться радиаторами обогрева дома по мере необходимости.

В качестве такого тела можно использовать различные вещества, например песок, камни, грунт, но идеальным веществом в этом отношении является вода, поскольку она обладает максимальной теплоемкостью из всех веществ за исключением водорода.

Таким образом, теплоаккумулятор может представлять собой бак с водой достаточного объема, хорошо изолированный от окружающего пространства, чтобы минимизировать утечки тепла.

Объем такого бака может быть различным, но наиболее подходящим может быть приблизительно 50 — 150 кубических метров воды. Этот объем может казаться избыточным, но зато позволит сохранить часть тепла с теплого времени года и использовать его вплоть до середины зимы. Такой подход способен уменьшить количество необходимых солнечных панелей для отопления дома зимой, и дает существенную (около месяца или двух) подушку безопасности в случае выхода из строя системы сбора солнечного тепла.

Данный бак конструктивно может быть выполнен из металла, пластика, бетона или другого материала, но обязательным требованием к нему является способность выдерживать температуру около 100 градусов без разрушения и потери герметичности в течение длительного времени, предположительно не менее 50 лет.

Теплоизоляция такого бака должна также должна быть эффективна, таким образом, чтобы он работал по принципу гигантского термоса и был способен сохранять тепло с минимальными потерями в течение многих месяцев.

Разумным представляется вариант размещения бака под землей, внутри железобетонного стакана, с теплоизоляционной прокладкой со всех сторон между баком и стаканом.

Теплоноситель из солнечных коллекторов не должен непосредственно контактировать с водой теплоаккумулятора, а должен проходить через змеевик, расположенный в нем. Для циркуляции теплоносителя может использоваться насос или вентиляторы (в зависимости от того, что будет являться теплоносителем — антифриз или воздух).

3. Обогревательный контур

Непосредственно от теплоаккумулятора тепло будет отбираться для обогрева дома еще через один змеевик, являющийся частью обогревательного контура.

В обогревательном контуре при помощи насоса должна обеспечиваться циркуляция теплоносителя между теплоаккумулятором и радиаторами отопления в доме. В данном случае допустимо использовать не антифриз, а обычную воду, поскольку отсутствует риск замерзания теплоносителя (при условии достаточного заглублении труб и постоянного поддержания положительной температуры в доме).

Вместо радиаторов возможно использовать систему обогрева типа «теплый пол».

Обогревательный контур является наименее сложной частью системы, его технология расчета и установки стандартизирована и отработана в системах с традиционным печным отоплением.

Если обогревательный контур уже имеется в доме, нет необходимости строить еще один, следует использовать имеющийся, перенаправив забор тепла от котла отопления к баку теплоаккумулятора.

Приблизительный расчет параметров системы

Принципиальная схема теоретически представляется абсолютно рабочей и надежной конструкцией, которая способна обеспечить обогрев жилища при достаточном количестве солнечных коллекторов и достаточном объеме бака теплоаккумулятора.

Но понятие «достаточность» при строительстве может трактоваться со слишком большим запасом, что приведет к перерасходу средств, и переизбытку тепла в теплоаккумуляторе, которое никак не будет мешать, но которое просто некуда будет деть, и система в целом получится слишком дорогой.

Рассматривая это на более понятном и традиционном примере, нет смысла покупать котел отопления мощностью 100 киловатт в дом площадью 50 квадратных метров, поскольку он стоит дорого, но будет использоваться только на малой мощности, когда с избытком хватило бы котла даже на 10 киловатт.

Обратно, недостаточная мощность приведет к необходимости дополнительного отопления в наиболее холодное время года. Например при помощи растопки печки или использовании сетевой электроэнергии, что во многом лишает смысла систему солнечного отопления.

Поэтому следует постараться максимально точно, учитывая климатические условия, рассчитать параметры системы, и сделать ее на 20% мощнее необходимой по расчетам, чтобы иметь запас для коррекции непредвиденных факторов и неточности расчетов.

Такой подход должен быть достаточно надежен, поскольку используется и при традиционном котельном отоплении.

Для того чтобы достаточно точно рассчитать параметры системы, требуется учесть много факторов и привлечь квалифицированных специалистов.

Этот этап также требует вложения средств, и является уже начальной частью конструирования системы, поэтому здесь мы ограничимся лишь очень приблизительными расчетами, которые, тем не менее, будут основаны на общедоступных проверяемых данных о физических свойствах используемых материалов, а также на действующих нормативах отопления.

Поэтому их точность будет достаточной для приблизительного понимания параметров системы, исходя из которых уже можно будет определить также и ее приблизительную стоимость в текущих ценах.

Для моделирования работы системы, мы написали компьютерную программу, которая рассчитывает температуру воды в теплоаккумуляторе в течение 365 дней, начиная с 1 октября года.

Используются следующие допущения и начальные параметры:

1. Температура воды в теплоаккумуляторе 1 октября составляет 85 градусов по Цельсию (здесь и далее — температура будет указываться по Цельсию). Хотя при начальном заполнении теплоаккумулятора водой, температура может составлять примерно 15 градусов, первый год не будет показывать идеального результата, кроме того, заполнение может произойти раньше чем 1 октября (начало отопительного сезона) и к тому времени вода в нем уже будет нагрета.

2. Объем теплоаккумулятора — 80 кубических метров.

3. Площадь солнечных коллекторов — 77 квадратных метров.

4. Количество солнечных дней в году (взяты данные для приморского края):

Январь: 25, Февраль: 22, Март: 22, Апрель: 20, Май: 22, Июнь: 12, Июль: 14, Август: 16, Сентябрь: 23, Октябрь: 25, Ноябрь: 23, Декабрь: 25

5. В не солнечный день количество полученного тепла с коллекторов принимается равным 0 киловатт-часов (здесь и далее мы будем исчислять энергию в киловатт-часах).

6. В солнечный день количество тепла с коллекторов рассчитывается следующим образом: Максимум тепла с 1 квадратного метра — 22 июня, составляет 600 ватт (0,6 киловатт в час), далее этот показатель начинает линейно падать до 400 ватт вплоть до 22 декабря, потом опять расти до 22 июня. При этом, время работы панели максимально 22 июня и составляет 6 часов в день, и минимально 22 декабря и составляет 4 часа в день, меняется также линейно.

В итоге такого моделирования мы получили в примерно 600 киловатт-часов годовой генерации с 1 квадратного метра коллекторов, что меньше, чем данные сообщаемые компаниями, занимающимися их установкой (около 800 киловатт в год). Помимо этого, следует учесть что такие данные указываются, как правило, для регионов с меньшей солнечной радиацией чем в приморском крае.

Тем не менее, порядок цифр оказался сходным, а разница позволяет нам не учитывать в предварительных подсчетах потери связанные с КПД разных узлов.

7. Потребление энергии на бытовые и санитарные нужды (горячая вода) фиксировано и составляет 15 киловатт-часов в любой день года. Это примерно эквивалентно 150 литрам воды нагретой до 100 градусов или же 300 литрам воды нагретой до 50 градусов.

8. Потребление энергии на отопление рассчитывается следующим образом:

Мы исходим из общепринятого норматива о том что для обогрева 1 квадратного метра жилья нужен непрерывный подвод энергии эквивалентный 100 ваттам. Например для того чтобы обогреть дом площадью 60 квадратных метров, требуется 6 киловатт, т.е. 3 масляных радиатора мощностью по 2 киловатта каждый.

Также мы считаем, что максимальная мощность обогрева в 100 ватт на 1 квадратный метр, потребуется нам лишь с 1 декабря по 15 февраля, т.е. в наиболее холодное время года, в остальное время, начиная с отопительного сезона (1 октября) и до его завершения (30 мая), требуемая мощность будет нарастать (с 1 октября до 1 декабря) линейно с 20 ватт на квадратный метр до 100 ватт, и падать линейно с 15 февраля до 30 мая со 100 ватт до 20 ватт.

Поскольку случаются теплые дни, что учитывается и для расчетов традиционного печного отопления, иногда мощность обогрева потребуется снижать. Для этого принят коэффициент 0,5, таким образом, на практике требуемая энергия составляет всего половину от расчетной.

В нашем случае мы будем использовать коэффициент 0,75, как более надежный. Во время отопительного сезона, мы от требуемой энергии отнимаем случайное значение в диапазоне от 0 до 0,5 требуемой мощности, что и дает нам в среднем коэффициент 0,75.

9. Теплопотери связанные с утечкой тепла из теплоаккумулятора в окружающую среду, мы рассчитываем таким образом: каждый день теряется 1/100 от квадратного корня разницы между температурой теплоаккумулятора и 5 градусами (температура грунта глубже температуры промерзания в приморском крае). На практике, это значение требуется рассчитать более точно, что требует учета многих факторов (например, толщину теплоизоляции) и привлечения квалифицированных специалистов.

10. Минимально допустимую температуру воды в теплоаккумуляторе мы принимаем равной 40 градусам. В холодное время года этого было бы недостаточно для обогрева дома, т.к. радиаторы отопления по нормативам должны иметь большую температуру зимой, но следует учесть то обстоятельство, что мы рассматриваем среднюю температуру воды в теплоаккумуляторе, в то время как реально она будет сильно отличаться в его верхней и нижней части. При 40 градусах средней температуры, в нижней части теплоаккумулятора температура может составлять примерно 20 градусов, а в верхней — примерно 60 градусов. Забор тепла для обогрева будет производиться именно с верхней части теплоаккумулятора, а его подогрев будет производиться в нижней части.

Такая неравномерность усложняет расчеты теплопотерь (которые мы тут не проводим, а используем лишь приблизительную формулу), но сама по себе очень полезна для нас, т.к. повышает КПД системы за счет хорошей разницы температур при нагреве теплоаккумулятора и отъема тепла от него.

11. Поскольку при моделировании у нас используется ряд случайных параметров: а именно конкретное количество солнечных дней в месяце и возможность несколько снизить температуру обогрева в некоторые теплые дни, то для исключения влияния случайностей на расчеты, мы проводим моделирование 10 тысяч раз и вычисляем средний результат.

В результате моделирования, мы получаем такие параметры средней температуры воды в теплоаккумуляторе (берем каждый 5-й день года для сокращения таблицы):

01-10-2024: 85,2

06-10-2024: 86,09

11-10-2024: 86,73

16-10-2024: 87,15

21-10-2024: 87,34

26-10-2024: 87,32

31-10-2024: 87,08

05-11-2024: 86,51

10-11-2024: 85,73

15-11-2024: 84,73

20-11-2024: 83,52

25-11-2024: 82,09

30-11-2024: 80,44

05-12-2024: 78,74

10-12-2024: 77,01

15-12-2024: 75,23

20-12-2024: 73,42

25-12-2024: 71,59

30-12-2024: 69,81

04-01-2025: 68,06

09-01-2025: 66,38

14-01-2025: 64,74

19-01-2025: 63,14

24-01-2025: 61,59

29-01-2025: 60,09

03-02-2025: 58,62

08-02-2025: 57,18

13-02-2025: 55,78

18-02-2025: 54,46

23-02-2025: 53,3

28-02-2025: 52,28

05-03-2025: 51,22

10-03-2025: 50,32

15-03-2025: 49,56

20-03-2025: 48,95

25-03-2025: 48,49

30-03-2025: 48,2

04-04-2025: 47,93

09-04-2025: 47,8

14-04-2025: 47,81

19-04-2025: 47,97

24-04-2025: 48,27

29-04-2025: 48,72

04-05-2025: 49,44

09-05-2025: 50,33

14-05-2025: 51,37

19-05-2025: 52,56

24-05-2025: 53,88

29-05-2025: 55,37

03-06-2025: 56,68

08-06-2025: 57,65

13-06-2025: 58,64

18-06-2025: 59,67

23-06-2025: 60,72

28-06-2025: 61,75

03-07-2025: 62,87

08-07-2025: 64,03

13-07-2025: 65,16

18-07-2025: 66,23

23-07-2025: 67,29

28-07-2025: 68,32

02-08-2025: 69,39

07-08-2025: 70,58

12-08-2025: 71,72

17-08-2025: 72,82

22-08-2025: 73,9

27-08-2025: 74,93

01-09-2025: 76,08

06-09-2025: 77,81

11-09-2025: 79,49

16-09-2025: 81,11

21-09-2025: 82,67

26-09-2025: 84,17

Дополнительные соображения

Для уточнения этого расчета, необходимо привлечь специалистов, обладающих знаниями в области теплотехники, но предварительно, как видим, объем теплоаккумулятора 80 кубических метров и площадь солнечных коллекторов 77 метров, достаточны для соблюдения нормативов отопления, и не потребуют дополнительных расходов.

Основное опасение связано с некорректными расчетами утечки тепла из теплоаккумулятора. В традиционных системах отопления такие потери не критичны, т. к. теплоаккумулятора там, как правило, просто нет, а котел/печка расположены непосредственно в отапливаемом здании, и любые утечки из него также не пропадают даром, а идут на обогрев здания.

В нашем случае, размещение теплоаккумулятора внутри обогреваемого дома, или под ним, может быть проблематично в связи с тем, что объем теплоккумулятора очень велик, а также с тем, что здание уже может быть построено, и физически невозможно будет разместить теплоаккумулятор в его подвальном помещении или под ним.

Еще одна причина, по которой это может быть нежелательно — в теплое время года аккумулятор будет производить нежелательный нагрев здания.

Поэтому основное внимание должно быть уделено теплоизоляции расположенного отдельно от здания аккумулятора, и кроме того, можно использовать тепло утечки в полезных целях, например построить зимний сад над теплоаккумулятором. Таким образом, учитывая, что утечки тепла, как правило, идут вверх, они будут выполнять полезную работу, а не просто теряться.

Помимо теплоаккумулятора, критической частью системы являются солнечные коллекторы. Данный расчет проводился для коллекторов, близких по параметрам к колллекторам основанным на вакуумных трубках, это коллекторы с высоким КПД, которые эффективно могут работать в холдное время года, при минусовых температурах. Однако, они весьма дороги.

Площадь коллекторов 77 квадратных метров, такова, что материальные затраты на приобретение такого количества дорогих коллекторов могут быть оказаться слишком велики.

В таком случае, следует рассмотреть вариант использования более дешевых коллекторов, но еще увеличить их площадь, а также объем теплоаккумулятора, для того чтобы компенсировать падение КПД сбора солнечного тепла в период отрицательных температур, путем запасения достаточного количества энергии в теплое время, когда КПД более дешевых коллекторов будет высок.

Заключение

Предварительные расчеты показывают теоретическую возможность отопления частного дома с использованием исключительно солнечной энергии, но конкретные параметры такой системы должны быть определены точнее, для того чтобы можно было рассчитать цену строительства такой системы.

Для этого требуется привлечение квалифицированных специалистов в области теплотехники.

Также, мы не рассмотрели тут много важных нюансов, таких как устройство тепловых контуров, используемые материалы, обеспечение бесперебойной работы насосов, и требуемое для этого количество свинцовых/литиевых аккумуляторов и другого электрического оборудования. Впрочем, на фоне общей стоимости системы, эти расходы вряд ли будут велики, кроме того, данные технологии хорошо отработаны в традиционных системах отопления.

При проведении более точного расчета стоимости, требуется учитывать конкретное место строительства системы, иметь данные о располагаемой площади, типе грунта, температуре и количестве солнечных дней в конкретные месяцы (эти данные могут различаться внутри приморского края, учитывая близость к морю). Имеет значение также удаленность от города и связанная с этим проницаемость воздуха для солнечного света, т.к. в условиях загрязненности, такая проницаемость будет ниже, но в удалении от города, количество солнечной энергии достигающей поверхности земли, может быть существенно выше.