Нагрянувшие в мае 2017 года в центральную Россию холода волей-неволей заставляют задуматься о системах отопления. Страна вообще холодная, тепла хочется… И в ряде случаев такое тепло может быть получено самым что ни на есть экологичным способом, без затраты топлива… С использованием для этого дармовой солнечной энергии. Давайте же посмотрим, как могут быть устроены пассивные системы теплоснабжения индивидуальных и малоэтажных домов.

На начало века суммарные поставки тепловой энергии в нашей стране составляли 2060 млн Гкал/год, в том числе жилищный сектор и бюджетная сфера потребляли 1086 млн Гкал, а промышленность и прочие потребители – 974 млн Гкал. На теплоснабжение расходовалось более 400 млн т.у.т./год. Почти три тонны условного топлива на каждого гражданина России – считай, полпуда в день! Немало… И денег это топливо стоит немалых. И доставить тепло от котельных до потребителей тоже недешево. А нельзя ли эту цифру сократить?

В данном случае – за счет использования энергии Солнца. Оно ведь есть везде (за исключением полярных ночей). Даже через обложную облачность пробивается до половины энергии – так нельзя ли, хотя бы частично, использовать те две трети достающихся Земле солнечных лучей, что идут на обогрев ее поверхности, для отопления домов? И как это можно реализовать в условиях нашей страны? Используя самые простые, пассивные системы?

Самой простой системой, не требующей обслуживания во время всего срока эксплуатации, является солнечная стена. Она более универсальна и более энергоемка, чем другие пассивные способы использования солнечной энергии – прямой нагрев и теплица. Что же это такое – солнечная стена, и как она работает? Попробуем объяснить это с использованием минимума физики, примерно в рамках программы средней школы.

На этой картинке мы видим простейшую солнечную стену и солнечную стену, объединенную с солнечным полом. Слева в обоих случаях – остекление.

Солнечная стена использует несколько общеизвестных физических эффектов. Прежде всего – передача тепла лучеиспусканием, описываемая законом Стефана-Больцмана. Именно лучеиспускание – с другими механизмами теплопереноса в вакууме как-то не очень, на этом основана работа термосов – доставляет энергию Солнца на Землю, делая нашу планету пригодной для жизни. И подавляющее большинство жизнетворных лучей относятся к видимому свету. Тому, для которого стекло прозрачно (ну, если его хоть изредка мыть…).

Итак, как мы видим на левой картинке, солнечный луч проходит через вертикальное остекление и падает на стенку. Ту самую, солнечную. Тут в действие вступают другие физические эффекты. Прежде всего электромагнитная энергия солнечных лучей превращается в тепловую, в движение молекул. И эта самая тепловая энергия путем теплопереноса начинает распространяться по стенке – пока не прогреет ее всю. И вот тут-то начинает играть роль теплоемкость, способность материала стены накапливать тепловую энергию. Чем больше ее он возьмет для того, чтобы нагреться на один градус, тем лучше.

Так что на этой стадии солнечная стенка уже начинает работать – она отдает тепловую энергию, переизлучая ее и грея окружающий воздух. Человек справа может начинать радоваться дармовому теплу. Ну а остекление слева начинает свою работу. Оно удерживает у солнечной стены нагретый воздух, не давая ему унестись ввысь, унося с собой накопленное тепло. И излучение стены в заметной степени остается внутри – для длинного инфракрасного излучения стекло не слишком прозрачно…

Так что стена разогревается солнцем и отдает тепло ночью – это определяет требования к ее массе и материалу. Скажем, прогреваемая солнцем 200 мм бетонная стена начнет отдавать тепло конвекцией через пять часов после начала разогрева и остынет примерно за тот же срок… Система может быть дополнена и солнечным полом. Такую мы видим на рисунке справа – там остекление наклонное, а перед солнечной стенкой в застекленном пространстве размещена еще и массивная плита. Она тоже накапливает тепло. Но отдача тепла тут производится более сложным способом…

Днем вентиляционные отверстия в солнечной стене открыты…

Дело в том, что глухая солнечная стена имеет ограничения на ее применение. Отдаваемое ей тепло переносится преимущественно излучением, что ограничивает глубину обогреваемого помещения пятью, максимум семью метрами… Для того, чтобы греть помещения больших размеров, нужно добавить еще конвекционный перенос тепла. Для этого в верхней и нижней части солнечной стены делаются вентиляционные отверстия, закрываемые жалюзи. Или открываемые – в зависимости от времени суток.

Ночью жалюзи закрываются – все тепло остается в комнате.

Днем, когда солнце светит, вентиляционные отверстия открыты. Нагретый у внешней стены воздух выходит в верхнее, чем обеспечивает нагрев и вентиляцию отапливаемых помещений. Ну а ночью эти жалюзи закрываются – все тепло остается в комнате. Солнечная стена отдает наружу лишь немного тепла, излучаемого через остекление. Как видим в этой, более усложненной системе, появляется движущийся элемент – жалюзи – но открываются-закрываются они лишь раз в сутки, что не связано с затратами энергии.

Зимой низкое cолнце греет солнечную стену, летом отражается козырьком…

Но солнце ходит не только по суточному кругу, оно определяет еще и времена года. Тепло нужно зимой и в межсезонье, летом избыточный нагрев совсем не нужен – как тут быть? Для этого в конструкцию зданий вводятся козырьки, стационарные или движущиеся. Низкому зимнему солнцу они не мешают отдавать максимум энергии солнечной стенке… А вот лучи солнца высокого, летнего, они отражают. Но солнечная стена полезна и летом – если организовать ее проветривание холодным ночным воздухом, она днем остается достаточно прохладной (солнце ее не греет!), исключая нужду в кондиционерах или снижая нагрузку на них.

Вот так выглядит в натуре солнечная стена. Массивная конструкция с вертикальным остеклением перед ней.

Да, конечно – солнечная стена эффективна, только если она изначально заложена в проект дома. Надлежащим образом спроектированного и ориентированного на местности. И дом этот должен быть построен из энергоэффективных материалов и конструкций. И иметь рекуперативную систему вентиляции. Это все условия, без которых не обойтись. Но результаты могут быть впечатляющими – в Швеции в 1980-е строили деревянные дома с солнечными стенами и полами. Для отопления они требовали лишь четверти тонны топлива в год на сто метров жилой площади.

В Швеции, которую солнечной никак не назовешь… Так что и в условиях нашей страны малая солнечная энергетика вполне способна внести свой вклад в сокращение издержек и повышение качества жизни. Нужно лишь иметь политическую волю к ее внедрению.

Если вам понравилась статья - порекомендуйте ее своим друзьям, знакомым или коллегам, имеющим отношение к муниципальной или государственной службе. Нам кажется, что им это будет и полезно, и приятно.
При перепечатке материалов обязательна ссылка на первоисточник.