В качестве основного источника энергии для обогрева экодома и производства горячей воды используется солнце и незначительное количество растительного топлива. В промежуточных вариантах допускается использование электроэнергии и невозобновимого топлива, но их расход значительно меньше, чем в обычном доме. В силу высокой теплоизоляции экодома, немаловажную роль в его обогреве играют косвенные источники тепла, такие как различные электро-и радиоприборы (осветительные лампы, телевизор, компьютер и т.д.), а также люди и животные, проживающие в доме. Но, повторимся, главный источник – солнце.
Солнечная архитектура позволяет спроектировать дом как с пассивной, так и активной солнечной системой отопления. Пассивное солнечное отопление давно известно и заключается в использовании архитектурных, объемно-планировочных форм и элементов конструкции здания в качестве теплоприемников и аккумуляторов солнечной энергии. При этом весь дом как бы превращается в солнечный коллектор. Помимо перечисленных выше мер по накоплению тепла, для повышения к.п.д. пассивного обогрева используют прозрачные крышы, стены Тромба-Мишеля (когда снаружи массивных стен через небольшой воздушный промежуток устанавливают тонкую прозрачную стену) и т.д. Такие дома довольно широко распространены в южных странах. В России в советское время строили экспериментальные дома с остекленной крышей в Средней Азии и в Крыму.
Активная система солнечного отопления использует для обогрева и горячей воды воздушные и водяные солнечные коллекторы, которые могут устанавливаться на крыше и в стенах дома и парника или рядом с домом в отдельном здании или на специальном каркасе.
В условиях средней полосы (как и Сибири) системы пассивного отопления в чистом виде не используются из-за низкого к.п.д., но в сочетании с активными системами они оправданы и должны применяться.
В осенне-весенний период экодом проще всего отапливать при помощи воздушных коллекторов. Типичная схема активного отопления состоит из воздушного солнечного коллектора, воздуховодов, вентилятора и галечного аккумулятора. Если температура в помещениях недостаточна, то горячий воздух из воздушного коллектора подается в комнаты и нагревает их. Если в помещениях тепло, то горячий воздух, минуя комнаты, поступает в тепловой аккумулятор.
Главный элемент системы воздушного обогрева – солнечный коллектор. Его конструкция очень проста. Это плоский тонкий ящик, дно которого снаружи (снизу) теплоизолировано, а изнутри покрыто материалом с большим коэффициентом поглощения солнечной энергии (обычно это химически зачерненная окислами хрома или никеля, а, в простейшем случае, покрашенная черной краской поверхность). Сверху ящик закрыт стеклом или другим прозрачным материалом. Видимый свет (в том числе и рассеянный, поскольку в пасмурную погоду коллектор также действует, но с меньшим эффектом), проникая сквозь стекло, поглощается черной поверхностью, превращается в тепло и нагревает воздух в замкнутом объеме коллектора (парниковый эффект). В верхней части коллектора расположена трубка для выхода горячего воздуха, а в нижней – для входа холодного. Воздушные коллекторы просты и дешевы, производство их несложно, возможно даже самостоятельное изготовление. Поэтому, несмотря на низкий к.п.д., использование их весьма целесообразно.
При длительном отсутствии солнца недостаток тепла компенсируется использованием других источников тепла. Целесообразно для этих целей использовать печи на растительном топливе. В последнее время появилось много новых конструкций печей с высоким к.п.д. (до 80%), достигаемым за счет использования эффекта медленного горения с каталитическим дожигом горючих газов или газогенераторные печи («Буллериан», «Чудесница», «Уют» и др.). Они позволяют отапливать большие объемы помещений одной небольшой заправкой топлива в сутки. Например, самый малый «Буллериан» способен отапливать помещение объемом 100 м3 в течение 10-12 часов при массе одной закладки растительного топлива (дров, древесных отходов, макулатуры, прессованной соломы и пр.) всего 4-5 кг. Учитывая в несколько раз более низкие теплопотери экодома по сравнению с обычным домом, такая печь может отапливать значительно большие объемы (весь дом) целые сутки и более. Сюда надо добавить и низкую стоимость таких печей (малый «Буллериан» стоит всего 4000 рублей). Газогенераторные печи снабжены системой труб и воздуховодами, обеспечивающими подачу теплого воздуха в разные помещения для их быстрого нагрева, имеют малый вес (десятки кг), просты в монтаже и эксплуатации, а также надежны и долговечны. Очень эффективны печи Кузнецова, которые работают на принципе «свободного движения газов» (т.н. колпаковые печи) и тоже используют эффект медленного горения, но в отличии от металлических газогенераторных печей они строятся из огнеупорного кирпича аналогично традиционным русским печам, и поэтому, обладая большой тепловой инерцией, долго сохраняют тепло. Эти печи могут быть совмещены с каминами, оборудованы встроенными водяными котлами для использования в качестве резерва в системах с водяным отоплением, а также топиться электричеством в качестве резервного топлива.
Для приготовления горячей воды и, дополнительно, для отопления в холодное время года служит водогрейная установка на основе водяного солнечного коллектора. Такая система бывает двух видов: с естественной и принудительной циркуляцией воды (жидкости). Система с естественной циркуляцией содержит водяной коллектор, систему труб и бак-аккумулятор, который размещается примерно на 60 см выше коллектора. За счет того, что нагретая в коллекторе вода легче холодной, поступающей в него из бака, возникает конвекция. При этом горячая вода из верхней части коллектора поступает в верхнюю часть бака, вытесняя в его нижнюю часть более холодную воду. Возникающий при этом непрерывный замкнутый цикл подобен тому, что происходит в системах отопления частных домов с газовым котлом. Система с естественной циркуляцией не требует перекачивающего насоса, но накладывает ограничения на конструкцию и монтаж из-за необходимости размещения тяжелого бака аккумулятора на крыше выше коллектора. Поэтому она обычно применяется для летнего душа, летней кухни и т.п.
Более удобна с точки зрения размещения солнечная водогрейная установка с принудительной вентиляцией. Она отличается от системы с естественной циркуляцией наличием насоса и блока терморегулирования. Каждый раз, когда температура в коллекторе достигает определенного значения, включается насос и вода в системе прокачивается до тех пор, пока температура не опустится до определенного значения, после чего насос снова выключается. Такая система называется одноконтурной. В ней горячая вода, циркулирующая по замкнутому контуру коллектор-бак, одновременно используется для хозяйственных нужд и отопления (в этом случае в систему труб, соединяющих коллектор с баком, врезают радиаторы отопления).
Чаще используется двух- и трехконтурные системы. В них бак-аккумулятор второго контура нагревается теплообменником, входящим в контур солнечного коллектора. При этом легче следить за расходом воды, регулировать ее температуру, удобно располагать дополнительный бойлер (резервный нагреватель), например, ту же газогенераторную печь или электронагреватель, и, наконец, использовать в контуре коллектора незамерзающую жидкость (антифриз), что бывает необходимо в морозном климате из-за слабой теплоизоляции коллектора.
Жидкостный солнечный коллектор более сложен, чем воздушный. Его поглощающая поверхность совмещена с системой трубок, по которым циркулирует, нагреваясь, вода. Существует большое разнообразие конструкций водяных коллекторов (см., например, книгу «Индивидуальные солнечные коллекторы» Харченко Н.В.), отличающихся тепловыми характеристиками, надежностью, долговечностью. Интересен в этом смысле, выпущенный недавно предприятием СКБ «Гелиопласт», полипропиленовый коллектор, отличающийся высокой надежностью, долговечностью, экологичностью и низкой стоимостью (60 долл. за 1 кв.м). Это самый легкий коллектор из существующих (вес всего 6 кг для стандартного размера в 1 кв.м). Выпускаются также полностью скомплектованные системы круглогодичного тепловодоснабжения, включающие различное число полипропиленовых коллекторов (в зависимости от площади отапливаемого помещения), аккумулирующий бак, один или два циркуляционных насоса, таймер, дополнительный бойлер для догрева, радиаторы, трубы и водозапорную арматуру.
Итак, система с жидкостным солнечным коллектором приготавливает горячую воду и одновременно является частью отопительной системы. Однако летом она должна работать в автономном режиме только для подогрева воды, что необходимо предусмотреть при ее проектировании.
Как уже говорилось, неотъемлемой частью отопительной системы экодома является тепловой аккумулятор. Необходимость его использования вызвана колебаниями температуры в солнечных отопительных системах в течение суток и в зависимости от времени года. Поэтому аккумуляторы подразделяются на суточные и сезонные. Кроме того они бывают активными и пассивными.
Пассивные аккумуляторы являются элементами конструкции дома и представляют собой массивы из тяжелого материала с высокой теплоемкостью, например, кирпича или грунтоблоков, из которых построены печь и внутренние части корпуса дома. Они используются для увеличения тепловой инерции дома. Это, в основном, суточные аккумуляторы.
Активные аккумуляторы представляют собой самостоятельную конструкцию, поэтому более сложны по устройству, чем пассивные. Например, такой суточный активный аккумулятор может быть встроен в одну из перегородок, представляя собой полую стену, с размещенными внутри баками с водой, через которые проходят трубы от систем солнечного отопления и дымовые трубы от печи. Хорошая теплоизоляция обеспечивает медленное остывание бака с водой для поддержания приемлемой температуры в комнате.
В качестве сезонных аккумуляторов используются резервуары с водой, контейнеры с гравием и галькой, соли, обладающие низкими температурами фазового перехода. Однако их использование затруднено из-за громоздкости и сложности изготовления и утепления контейнеров и резервуаров. Нужны огромные объемы воды или гальки, исчисляемые сотнями и тысячами кубометров, для того, чтобы сохранить зимой тепло, накопленное летом. Перспективны в этом направлении аккумуляторы, использующие обратимые химические реакции, протекающие с поглощением и выделением тепла (разработка Сибирского отделения Академии наук). Такие аккумуляторы по размерам значительно меньше остальных. Для них применяются недорогие и широко распространенные соли.
