Танака - Жилые дома с автономным солнечным теплохладоснабжением

Книга авторов Японии посвящена важной проблеме —  экономическому использованию солнечной энергии для  теплохладоснабжения жилых домов. Приведены технические решения ряда систем теплохладоснабжения, реализованные при строительстве индивидуальных и многоквартирных домов.

Для научных и инженерно-технических работников.

Табл. 12, ил. 151, список лит.: 29 назв.

Рецензент - канд. техн. наук И.Н.Бутовский

© Перевод на русский язык Стройиздат 1989

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Лежащая перед Вами книга содержит разнообразные сведения об устройстве,  принципах действия и характеристиках солнечных установок, предназначенных в основном для отопления и горячего водоснабжения жилых домов. Даже беглый просмотр  помещенных в книге рисунков и фотографий солнечных домов может убедить читателя, что ученые и инженеры наших дней не только создали устройства, способные экономить дорогостоящее минеральное топливо благодаря разумному использованию энергии солнечного излучения, но и удачно вписали их в облик современных зданий.

Часто говорят, что новое — хорошо забытое старое. Как ни странно, к солнечной тепловой энергетике эти слова тоже относ5ггся. Раскопки археологов показали, что в  стенах бань и некоторых других построек Древнего Рима были проложены каналы, по  которым проходил теплый воздух от нагреваемой солнечным излучением части зданий и создавал равномерную комфортную температуру во всех помещениях.

Несомненно, открытия науки XX в. позволяют значительно эффективнее решить ту же самую проблему, однако следует помнить, что необходимые любому человеку и каждой семье на земле жилые помещения (и системы их отопления и  кондиционирования) должны быть не только прочными, удобными и красивыми, но и достаточно  дешевыми, простыми в эксплуатации, надежными, что накладывает определенные  ограничения на выбор строительных материалов и требует простоты инженерного решения всех элементов солнечных домов.

Именно с этой точки зрения предлагаемая читателю книга превосходит известные в научной литературе издания, посвященные солнечным домам. Авторы приводят краткие сведения о высокоэффективных, но пока дорогостоящих системах, позволяющих увеличить эффективность поглощения и преобразования  солнечного излучения в другие формы энергии, однако основное место в книге отведено солнечным устройствам, которые могут быть сделаны сравнительно несложным способом небольшими предприятиями и организациями. Некоторым разделам книги можно даже предпослать подзаголовок: "Сделайте сами!"

Будем надеяться, что разнообразие приведенных в книге конструкций солнечных  домов, их экономичность, оригинальный внешний вид вдохновят и советских читателей — как профессиональных инженеров и архитекторов, так и любителей самодеятельного  технического творчества — на создание множества солнечных установок для отопления и горячего водоснабжения, на разработку новых конструкций зданий, выполненных с  учетом климатических условий различных регионов нашей страны. Для читателей,  интересующихся направлениями дальнейших поисков ученых в этой новой области науки и техники, в послесловии к книге приводятся оценки технической и экономической  целесообразности некоторых перспективных (но более сложных) конструкций солнечных домов, в частности домов с полупроводниковыми солнечными батареями на крыше,  позволяющими получать от Солнца не только тепловую, но и электрическую энергию. В конце книги представлен также список дополнительной литературы, рекомендуемой для более углубленного изучения вопросов, затронутых в настоящей книге.

Д-р техн. наук, проф. М.М.Колтун

ПРЕДИСЛОВИЕ

Представление о солнечном доме, т.е. доме, в котором теплохладоснабжение и горячее водоснабжение осуществляются при помощи солнечной энергии, в настоящее время стало широко известно не только архитекторам и специалистам по теплохладоснабжению, но и многим людям других профессий. Радостно сознавать, что идея использования солнечной энергии воспринимается очень благожелательно и на ее практическое  осуществление возлагаются большие надежды. Это вполне согласуется со стремлением людей создать здоровое природное окружение, в котором солнечное излучение будет играть большую роль в решении проблемы экономии топлива и предотвращения  загрязнения окружающей среды.

Настоящих солнечных домов, где полностью отработаны системы отопления и  охлаждения, еще сравнительно немного, и сделать их экономически оправданными совсем не просто. Однако очевиден тот факт, что природных запасов нефти и угля на земном шаре не хватит на длительный срок и дальнейший технический прогресс неразрывно связан с необходимостью экономии энергии, поэтому в будущем, несомненно, жилые дома в той или иной степени будут приобретать облик солнечных домов. Не случайно сейчас ставится вопрос не только об использовании солнечной энергии в установках будущего, но и о постепенном переходе от ограниченного практического применения гелиосистем к их массовому распространению.

Идея преобразования солнечной энергии в тепловую в Японии возникала до нынешних дней дважды (причем в весьма бурной форме, как это имеет место в настоящее время) — сразу же после окончания второй мировой войны и в 60-е годы. Оба раза эта идея наталкивалась на незрелость инженерных решений, а поскольку в тот период не стоял так остро вопрос об ограничении загрязнения окружающей среды, то появление  дешевых видов топлива отодвигало на задний план проблему использования солнечной энергии, и интерес к ней угасал.

В настоящее время в Японии ежегодно продается около 500 000 солнечных водонагревателей и монтируется приблизительно 100 000 установок горячего водоснабжения с принудительной и естественной циркуляцией воды. Можно сказать, что уже  закладывается фундамент гелиотехнической промышленности. Создание важнейших узлов  коллекторов и холодильных агрегатов для отопления и охлаждения солнечных домов и  разработка проектных и технических решений гелиотехники шагнули по сравнению с прошлым на качественно новую ступень. Следует ожидать, что именно сейчас  произойдет переход к новому этапу их широкого внедрения.

Говоря о солнечных домах и гелиосистемах, нужно отметить, что системы горячего водоснабжения, отопления и теплохладоснабжения как по своему техническому  уровню, так и по показателям экономичности резко различаются между собой, и нет ничего удивительного в том, что одна и та же система горячего водоснабжения или отопления в зависимости от качества ее отдельных узлов и проектного исполнения может различать по показателям экономичности в 2—3 раза. Производители гелиосистем зачастую декламируют только их положительные стороны; потребители и проектировщики, как правило, выбирают гелиосистемы почти наугад. В целом внедрение их в жизнь  осуществляется с перспективой на скорейшее их использование.

Мы считаем, что на данном этапе очень важно выяснить, что возможно и что  невозможно получить с помощью этих систем, и обобщить всю имеющуюся информацию. Солнечным домам и гелиосистемам посвящена достаточно обширная техническая литература, в том числе справочная. Однако трудов, в которых для неспециалистов  популярно изложены проблемы гелиотехники, а для специалистов отражено истинное  положение вещей в этой области, очень мало.

В настоящей книге поставлена цель объяснить в доступной форме гелиотехнические проблемы, связанные с солнечными домами (известные сейчас только специалистам по использованию солнечной энергии для теплоснабжения жилых домов), всем, кто хочет построить солнечные дома. Мы будем способствовать практическому распространению и внедрению в жизнь солнечных домов и гелиосистем.

ГЛАВА 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СОЛНЕЧНЫХ ДОМАХ

1.1. СОЛНЕЧНЫЕ ДОМА

Принято считать, что понятие "солнечный дом" впервые появилось в Америке в 30-е годы. В то время среди различных течений в дизайне жилищного строительства возникло новое направление по созданию архитектуры жилых домов,  планировка которых предусматривала большие застекленные  пространства, оказывающие благоприятное влияние на здоровье  человека. По всей вероятности, тогда еще не стояла проблема  экономии энергии. В Японии термин "солнечный дом" был  заимствован дословно " Solar House ", и в последнее время он широко используется в газетах, журналах и телепередачах. Неправильно считать, что термином "солнечный дом" обозначается жилой дом строго определенного типа. Если предположить, что под солнечным домом подразумевается жилое здание в котором эффективно используется солнечное тепло, то, вероятно, традиционный деревянный японский дом вполне подходит под это понятие.

Можно сказать, что мудрость наших предков отразилась в конструктивном решении и планировке дома. Удачно расположенная веранда и "сёдзи" обеспечивают проникание в глубь помещения теплых солнечных лучей в зимнее время, когда солнце стоит низко, а летом, в период высокого солнцестояния выступающий над верандой навес защищает внутреннее пространство дома от тепла солнечного излучения. Не только японские дома, но и жилища американских индейцев, расположенных в пещерах с южной стороны огромных гор, тоже, наверное, можно назвать "солнечными домами".

В последнее время появились жилые дома, в которых для горячего водоснабжения и отопления используются специальные устройства, собирающие солнечное излучение и преобразующие его в тепло. Такие дома получили название солнечных домов с активной системой солнечного теплоснабжения. Одно временно стали строить и здания, в которых не предусмотрено применение солнечных коллекторов или других специальных устройств, а использование солнечного тепла обеспечивается за счет конструктивных решений. Такие здания называют солнечными домами с пассивной системой солнечного теплоснабжения. В настоящее время они привлекают к себе большое внимание.

Если говорить о пассивной системе солнечного  теплоснабжения, то принципиальная ее особенность состоит не столько в том, что исключается применение солнечных коллекторов, сколько в отказе от использования в процессе собирания и передачи солнечного тепла таких устройств, как вентиляторы и насосы, которые требуют внешних источников энергии. Кроме того, передача тепла, его аккумулирование и подача  потребителю осуществляются исключительно на основе естественной  циркуляции, теплопроводности и излучения.

Встречаются и такие проекты домов, в которых соединены принципы обеих систем, т.е. дома с гибридной системой  солнечного теплоснабжения, где одновременно с пассивной системой применяют небольшие насосы и другие простые механизмы. Вспомним историю появления солнечных домов в Японии. Как известно, первый солнечный дом в Японии был построен в 1956 г. архитектором Янагимати. К сожалению, на следующий год после завершения строительства случился пожар, во время которого этот солнечный дом сгорел, так что сейчас нельзя его увидеть. В 1958 г. архитектор Янагимати построил второй  солнечный дом, который существует и поныне. В этом доме в качестве кровельного материала были использованы коллекторные панели без остекления, сделанные из алюминиевых плит, полученных прокаткой и окрашенных в черный цвет. 

Собираемое плитами солнечное тепло с температурой 10-20°С при помощи теплового насоса доводилось до 40-50°С и  использовалось для отопления дома. Летом в ночное время коллекторные панели работали как излучающие радиаторы. Эта система  вызвала интерес во всем мире.

Затем было построено несколько солнечных домов в одном из жилых районов и начаты работы на экспериментальных  установках в промышленной лаборатории г. Нагоя и в Университете Токай. Однако до 1970 г. были известны лишь отдельные  попытки сооружения солнечных домов, которые предпринимались отдельными энтузиастами.

В 1972 г. проф. Кимура из Университета Васеда осуществил строительство солнечного дома с солнечными коллекторами, выполненными из медных листов (плит) и медных труб. Так как вскоре разразился первый нефтяной кризис, интерес к использованию солнечного излучения как к возможному  источнику тепловой энергии повсеместно возрос. Именно к этому периоду относится сооружение  экспериментального солнечного дома со специально созданными  солнечными коллекторами и солнечного дома Кусака, построенного Научно-техническим департаментом.

Затем в рамках проекта использования солнечной энергии "Солнечный свет", разработанного Министерством торговли и промышленности, началось строительство различными  фирмами экспериментальных гелиоустановок. Были сделаны попытки осуществить подобное строительство силами местных  муниципалитетов. В настоящее время имеется довольно много  примеров практического использования таких установок в жилищном строительстве.

1.2. ЖИЛЫЕ ЗДАНИЯ, ОБОРУДОВАННЫЕ ТОЛЬКО СОЛНЕЧНЫМИ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЯМИ

Во второй половине 30-х годов в Японии, преимущественно в сельских районах, получили широкое распространение  солнечные водонагреватели, выполненные в виде стационарных  установок открытого типа с системой периодической подачи и распределения воды. Эти водонагреватели представляли собой небольшие пакеты из виниловой или полиэтиленовой пленки, наполненные водой, которые размещались на горизонтальной плоскости, причем одновременно монтировалось более 1 млн. таких пакетов.

Однако зимой в холодную погоду такими установками было невозможно пользоваться, срок их годности не превышал 2-3 лет, поэтому вскоре они практически вышли из употребления, тем более что появилось дешевое нефтяное топливо. Лишь в отдельных районах продолжали применять солнечные  водонагреватели такого типа.

В 1974 г. разразился первый нефтяной кризис, изменивший ситуацию с нефтяным топливом, поэтому взоры возможных потребителей вновь обратились к солнечным водонагревателям, и они снова стали применяться во многих домах. Поскольку у ранее распространенных установок типа стационарной "открытой" системы с периодической подачей и распределением воды КПД в зимний период был низким (к тому же там легко  образовывались водоросли), в последнее время обычно используются закрытые водонагреватели с непрерывным поступлением воды.

В этих установках вода находится в закрытой емкости, которая монтируется под определенным углом к горизонту, так что в течение года солнечное излучение поступает на коллекторную поверхность вертикально или почти вертикально, за счет чего повышается коэффициент усвоения солнечного излучения  установкой в зимнее время и предотвращается возможность  появления водорослей.

Подобные солнечные водонагреватели, установленные, как правило, в определенном месте на крышах жилых домов, можно увидеть не только в сельских районах, но и в центре городов.

Трудно сказать, можно ли жилые дома, оборудованные такими водонагревателями, называть солнечными. Если говорить о солнечных домах в широком смысле слова (см. разд. 1.1), то жилые дома, оборудованные одним лишь  солнечным водонагревателем или системой горячего  водоснабжения, также, по-видимому, могут быть включены в это понятие. Однако, когда мы говорим конкретно о солнечном доме, то представляем себе его как жилое здание, в котором с помощью конструктивных решений или специальных устройств  обеспечивается максимальное использование солнечного тепла,  включая отопление и охлаждение дома. С этой точки зрения дома, оборудованные лишь солнечными водонагревателями, не  соответствуют понятию солнечный дом.

С другой стороны, если рассматривать дом, где за счет  солнечного излучения, поступающего зимой через окна, и хорошей  теплоизоляции на отопление затрачивается значительно меньше энергии, чем в доме, оборудованном системой солнечного  водоснабжения, то такой дом, наверное, тоже можно назвать  солнечным домом.

Более того, если дом оборудован только солнечным  водонагревателем, но он используется постоянно в повседневной жизни, то такой дом, по-видимому, следует отнести к разряду "солнечных". Таким образом, понятие солнечного дома должно складываться из психологических категорий обязательного использования получаемого от Солнца тепла в различных видах. Главным, по-видимому, является факт постоянного получения энергии от Солнца и использования ее для  улучшения условий жизни.

Распространение солнечных домов органически  соответствует современному образу жизни и оказывает положительное влияние на здоровье человека как в физическом, так и  психологическом плане. Один из авторов книги (Суда) живет в  солнечном доме и стремится изучить возможности максимального использования солнечной энергии без дополнительных  энергоисточников.

В природе бывают не только ясные солнечные дни: они  перемежаются днями с туманами и дождями, поэтому у Суда  сложился своеобразный образ жизни, при котором он в быту  старается пользоваться только солнечным теплом. Так, по возможности старается принимать ванну в ясные солнечные дни, по утрам в умывальной комнате употребляет почти холодную воду.  Температура в отопительной системе также не поднимается выше  предела, при котором чувствуешь себя бодрым. В итоге пользование только солнечным теплом позволяет экономить энергию и сокращать расходы на содержание дома. Ежегодно благодаря солнечным установкам, применяемым автором, увеличивается количество полезно использованного солнечного излучения.

1.3. ВЛИЯНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ НА ЖИЛИЩА

Количество солнечной энергии, доходящее до наших домов в настоящее время, по-видимому, примерно равно тому, какое  получали жилища древних людей. Однако образ жизни людей,  живущих в современных домах, существенно изменил способы использования солнечной энергии.

Одной из отличительных особенностей современного общества является изменение внешнего облика жилища, что  обусловлено преобразованием окружающей среды. Об этом  свидетельствует наша повседневная жизнь, неразрывно связанная с  разнообразным применением света и электричества, например для систем кондиционирования воздуха в помещениях, а нефтяного топлива и газа прежде всего для отопления и горячего  водоснабжения. В этих случаях влияние солнечной энергии менее  заметно, однако летом, когда действуют системы охлаждения,  солнечное тепло уже воспринимается не как благо, а как  отрицательный климатический фактор.

В нашей жизни польза, получаемая от Солнца, больше всего ощущается тогда, когда после длительного периода дождей вновь наступает солнечная погода. Однако внедрение в быт электричества постепенно начало вытеснять из нашего  сознания существование Солнца как жизненной необходимости.

До промышленной революции Япония представляла собой экономически независимую сельскохозяйственную страну, и значение Солнца в те времена воспринималось иначе, чем в эпоху промышленно-развитого государства. От Солнца зависел урожай, и это было вопросом жизни и смерти людей. Создавая дома, люди стремились избежать опасностей,  которые исходили от Солнца, и использовать достоинства  солнечного излучения. В Японии, природа которой характеризуется  обилием жарких дней и в целом влажным климатом, именно прямое солнечное излучение являлось угрозой для безопасности жилых домов. Это нашло отражение в своеобразном  конструктивном решении при сооружении крыш домов, где в качестве кровельных материалов применяются солома и черепица, обеспечивающие очень хорошую теплоизоляцию крыши. 

Особенностью планировки дома является также создание  выступающего навеса, чем достигаются одновременно максимальное  сохранение тепла в зимнее время и защита от прямого летнего  излучения.

Можно сказать, что в современных жилищах и жилищах  прежних веков способы использования солнечной энергии  существенно различаются. Вместе с тем создается впечатление, что появление солнечных домов в современном обществе с развитой промышленностью означает переход на новую ступень, когда наш образ жизни снова претерпевает непосредственное  изменение в зависимости от свойств окружающей естественной среды.

Существование Солнца постоянно ощущается в  повседневной жизни не только как источника энергии для горячего  водоснабжения и отопления, но и как энергоисточника при  высушивании вещей, уничтожении бактерий, для светильников внутри и вне помещений. Солнечная энергия используется также в  солнечных батареях, применяемых для электропитания радио, часов и фотоаппаратов. Именно жилые дома в настоящее время расходуют  значительную часть потребляемой энергии. В связи с этим появление солнечных домов повлекло за собой изменение представления о жилом доме как о возможном автономном производителе и потребителе энергии, что является одной из отличительных черт "постиндустриального общества". В будущем в наших жилищах, по всей вероятности, солнечная энергия станет  важнейшим фактором, приносящим всевозможные блага.