Экспериментальные работы их результаты.

Работы велись совместно с «НТУХПИ» кафедрой инженерной электрофизики. Объектом для экспериментальных и практических работ я выбрал свой дом. Частный дом и его технические характеристики:

- Отапливаемая площадь – 80 м^2.

- Площадь стен – 110 м^2.

- Площадь окон (8 шт.) - 10 м^2.

- Площадь потолка – 80 м^2.

- Материал стен – дерево + глина + кирпич снаружи.

- Материал потолка - дерево + глина.

Дома старой постройки обладают одной прекрасной характеристикой. Большое количество строительных материалов – это кирпич, глина, дерево и др. имеет большую массу. В моём конкретном случае она составляет 50000 кГ, а её теплоёмкость приблизительно равна 50000 кДж/С. Теперь, если такой дом укрыть сверху и с боков теплоизоляцией, то вся эта масса попадает в тёплую зону,

50 тонн прогреется до температур близких к комнатным и даже при отключенном отоплении остывать он будет очень медленно. Осенью 2010 года были проведены следующие работы по утеплению дома:

- Стены и потолок утеплены снаружи пенопластом толщиной 100 мм.

- К двойным окнам снаружи была добавлена пленка, (окна стали тройными).

- Для чистоты эксперимента в отопительный период поддерживалась стабильная температура 19С и оптимальный режим горения АГВ – стабильный без включения и выключения.

Результаты экспериментов по экономии газа и замене части его дровами

в 2010-2015 годы.

Сводная таблица результатов экспериментов по 31 декабря 2015 года включительно.

Суммарная экономия природного газа за 2011-2015 годы составила

1450+2360+2396+2390+2400=10996 кубометров.

Пояснения к сводной таблице.

1-я строка – количество потребленного газа за год.

2-я строка – количество сожженного органического топлива и дров за год.

3-я строка - количество сэкономленного газа за счет утепления дома и нагрева воды для бытовых нужд солнцем летом.

4-я строка – количество сэкономленного газа за счет сжигания дров.

5-я строка- средняя т-ра в доме в отопительный период.

6-я строка – суммарное количество сэкономленного газа за год.

Выводы по этому промежуточному этапу работ.

За счет утепления дома, незначительной доработки окон и использования

энергии солнца для нагрева воды удалось снизить потребление природного

газа на отопление с 2880 до 1350 кубометров за год. Кухня потребляет

примерно 350 кубометров. Осталось 1000 кубометров.

Достигнутый рубеж потребления газа 1000 м^3/год является стартовым для дальнейшего снижения, но уже другими методами – прямой заменой возобновляемыми источниками энергии.

Почему возобновляемыми источниками?

Коротенько проанализируем, что нам дает прямая замена 2000 м^3 природного газа на эквивалентное по энергии количество угля или дров.

По теплотворной способности 1000 м^3 природного газа можно заменить 1.5 – 2 – мя тоннами угля или 4 тоннами дров. Уголь – дорогое трудоемкое и неудобное в быту топливо, 4 тонны дров тоже не подарок. Их необходимо привезти, затем распилить, поколоть и только потом можно сжигать.

Оказалось, что сложных инженерных проблем в частном доме по экономии энергоносителей нет. Нет дешевых дров или другого органического топлива. Один киловатт-час тепловой энергии получаемый за счет сжигания газа самый дешевый.

По результатам эксперимента можно рекомендовать следующий оптимальный вариант мероприятий по снижению потребления энергоносителей в частных домах. В домах у которых потребление газа для отопления 1-го метра квадратного больше 30 кубометров за год должны в первую очередь снижаться тепловые потери. Государство должно субсидировать и всячески поощрять такие работы. Тех же потребителей у которых потребление газа уже меньше 30 кубометров за год могут снабжаться дешевым топливом, например дровами, а субсидии направляться на снижение цен уже на дрова.

Для того чтобы реально продемонстрировать возможность замены части природного газа дровами была спроектирована и изготовлена специальная печь для сжигания дров и другой органики. Это был не самый лучший, но наиболее быстрый и легко реализуемый вариант. Реализован он был в конце 2011 года. Цены на газ и ситуация в энергетике были относительно стабильными поэтому проект рассчитывался на перспективу. Все работы велись за собственный счет. Принципиальная схема подключения печи к системе отопления дома показана на Рис.1.

Где:

1-газовый котёл, 2-печь для сжигания дров, 3-батареи системы отопления.

Рис 1.

Она установлена снаружи дома, вплотную к стене, теплообменник подключен к системе отопления дома параллельно газовому котлу. Для сведения к минимуму тепловых потерь печь закрыта слоем теплоизоляции (стекловатой) толщиной 250мм. Тепловые мосты от наружного корпуса имеют большое сопротивление. Такие конструкторские решения позволили свести к минимуму тепловые потери в нерабочем режиме до 50Вт.

17 декабря 2011 года эта печь была запущена в эксплуатацию. Газовый котел АГВ-80 был полностью отключен. Эксплуатация системы отопления без потребления природного газа ведется уже 3 года. Результаты очень хорошие, большой запас мощности. Время топки составляет около 6-10 часов. За это время температура в доме поднимается до 22 , а затем медленно снижается до 18-19 .Расход дров составляет 4 кГ для замены

1 газа. При отработанной технологии топки дрова необходимо подбрасывать 1-2 раза в час, одна закладка составляет около 3кГ. Большая тепловая инерция дома позволяет осуществлять импульсный режим отопления, с перерывами длительностью до 18 часов, в зависимости от температуры наружного воздуха. Система отопления может функционировать только на газовом котле, только на печи или совместно.

Циркуляция теплоносителя в системе естественная без насоса.

В заключение можно сказать следующее. При грамотном подходе к энергетической проблеме отопления частного дома, потребление газа можно свести к минимуму, или даже к нулю с минимальными затратами. Но для каждого дома решение должно быть индивидуальным.

Приготовление пищи очень удобно производить на газовых приборах. Для этих нужд его можно и оставить.

На Фото 1 – печь пристыкована к стене дома в нерабочем режиме.

На Фото 2 – печь с открытыми дверцами и в ней горят дрова.

Фото 1 Фото 2

Следующий важный элемент комплексной программы по энергосбережению в частном доме это использование солнечной энергии, за период с апреля по октябрь это нагрев воды до температуры приблизительно 50С для бытовых нужд. Задача решается относительно легко и с небольшими затратами.

Системы солнечного нагрева воды моя семья эксплуатирует уже более 40 лет. Суммарная площадь самодельных солнечных нагревателей составляет 5 метров квадратных. Максимальная производительность летом достигает 500 литров горячей и теплой воды, что полностью удовлетворяет потребности семьи из 4-х взрослых человек. Весной и осенью, когда температура воздуха ниже, производительность снижается. Трех каскадная система из 4-х нагревателей суммарной площадью 3 метра квадратных приведена на Фото 3.

Фото 3

Вместо дров для отопления рассмотрим еще и вариант использования солнечной энергии для этой цели. Был спроектирован, изготовлен и испытан

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР далее по тексту

МСК. Предполагается изготовлять и применять его в следующих вариантах. ПЕРВЫЙ вариант – осенью, зимой и весной для отопления путем подогрева воздуха и подачи его в помещение.

ВТОРОЙ вариант – летом для нагрева воды до температуры примерно 50С.

ТРЕТИЙ вариант – летом в качестве сушилки для фруктов.

На Фото 4 показан общий вид МСК с открытой крышкой.

Фото 4

На Фото 5 показан МСК во время тепловых испытаний, когда он установлен под прямым углом к солнечному облучению.

Фото 5

Конструктивно – это прямоугольный короб размером 1.07 на 2.3 метра. Облучаемая поверхность 2.5 кв. метра. Высота 150 мм. Материал доски толщиной 20 мм. Стоит короб на 4-х опорах с раскосами. В качестве теплоизоляции использована солома в количестве 0.3 м3. Абсорбер - тонкая ржавая листовая сталь (обрезки) толщиной 0, 5 мм. Степень черноты по справочникам 0, 85. Крышка из дерева легкая с раскосами из труб для жесткости и пленка около 3 кв. метров.

Стоимость материалов. Доски б/у в удовлетворительном состоянии 0, 05 м3 и стоимостью 500 грн/м3. Железо листовое, толщиной 0.5 мм ржавое. В продаже отсутствует. Степень черноты в справочниках 0.85. Пленка 3 м2. Трубы б/у стальные тонкостенные диаметром 20-25 мм суммарной длиной 7 метров. Предназначены для придания жесткости крышке. В качестве теплоизоляции использована солома. Я думаю, что можно легко вписаться в

сумму100 грн, если почти все покупать.

На Рис.2 изображена принципиальная схема отопления дома теплым

воздухом с помощью МСК.

Рис. 2

На схеме обозначено:

1 - блок солнечных нагревателей МСК (8 шт.) суммарной площадью 20 м²;

2 – воздухопровод подачи теплого воздуха в дом; 3 - воздухопровод забора воздуха из дома; 4 - датчик температуры в верхней части МСК; 5 - датчик температуры в доме; 6 – теплоизоляция воздуховодов; 7 - заслонки воздуховодов; 8 - вентилятор; 9 - рама крепления МСК.

На рис. 2а изображена конструктивная схема МСК для нагрева воздуха и отопления дома в холодное время года. Показаны основные элементы.

Облучаемая поверхность 2.5 м2.

1 – Корпус из досок толщиной 20 мм.

2 – Теплоизоляция солома примерно 0.3 м3.

3 - Упоры крышки.

4 – Шарнир, точка вращения при открывании крышки.

5 - Корпус крышки из досок.

6 - Арки крышки из легких стальных труб для поддержки пленки.

7 - Пленка, примерно 3 м2, края завернуты чтобы не затекала вода.

8 - Абсорбер, степень черноты близка к единице.

Абсорбер может изготовляться в виде самодельных уголков 50*50 мм

произвольной длины из ржавой листовой стали толщиной 0.5 мм.

Такая форма отлично поглощает лучистую энергию и имеет в 2 раза большую поверхность теплоотдачи к продуваемому воздуху.

Понятно, что воздух продувается вентилятором вдоль ребер.

На рис 2б изображен тот же МСК, что и на рис 2а, но уже с теплообменником в верхней части для нагрева воды. Таким образом

он может выполнять две функции – зимой греть воздух для отопления

дома и летом греть воду для бытовых нужд. В качестве теплообменника

можно использовать серийно выпускаемые отопительные батареи

аккорд, это как вариант.

Эта же схема МСК в плане показана на рисунке 2в.

Стрелками показаны направления движения воды.

На схеме рис 2 суммарная площадь 8-ми МСК для нагрева воздуха

составляет 20 м2. Если теплообменник аккорд может занимать 0.5 м2

в одном МСК, то в 8-ми 4 м2. Такая комбинированная система будет

давать и несколько сот литров горячей воды летом. Зимой вода из

теплообменников сливается.

Отопительный сезон у нас длится с октября по апрель включительно. Если смотреть по месяцам, то в октябре, феврале, марте и апреле (а это 4 месяца из 7 отопительного сезона) бывает много солнечных дней.

Для расчета теплового баланса используем полученные данные по дому уже с теплоизоляцией.

Максимальные тепловые потери зимой составляют около 3 кВт. В перечисленные выше 4 месяца тепловые потери снизятся за счет более высокой температуры окружающего воздуха и будут равны примерно 2 кВт. Тогда за сутки для пополнения тепловых потерь необходимо иметь примерно 48 кВт-часов тепловой энергии.

Такое количество тепловой энергии и можно получать с помощью простейших и дешевых МСК. С одного метра квадратного МСК за световой день можно получить около 3 кВт-часов тепловой энергии, а с суммарной площади 20 квадратных метров 6о кВт-часов. Внутренняя масса дома имеет большую теплоемкость - 50000 кДж/ С или 14 кВт-часов/С. Она является солидным теплоаккумулятором. Работает система солнечного отопления следующим образом: воздух из дома продуваем с помощью вентилятора через систему МСК, там его подогреваем и снова направляем в дом.

Примерно за 5 часов (световой день зимой) в дом буде внесено около 60 кВт-часов тепловой энергии. Температура внутри дома возрастет на 4 градуса, а затем в течение 19 часов остывает до первоначального значения.

Экономическая эффективность такой системы солнечного отопления зависит от следующих параметров:

Суммарная площадь МСК и стоимость всей системы в целом.
Суммарные тепловые потери дома.
Кол-ство солнечных дней, как за весь отопительный сезон, так и по месяцам. Поэтому такую систему необходимо изготовить и провести испытания на практике.

Затем уже по результатам эксплуатации определить реальные технико-экономические показатели и сделать выводы. Учитывая многолетний опыт эксплуатации солнечных нагревателей по нагреву воды, есть уверенность, что и система по отоплению теплым воздухом с помощью МСК окажется удачной. Она позволит снизить потребление дров до 1500 кГ за год.

В заключение можно добавить, что она может служить в летнее время и кондиционером. Наличие в доме системы регулирования температуры, минимальные тепловые потери и большая внутренняя масса, являющаяся теплоаккумулятором, позволяют использовать систему в качестве кондиционера. Ночью, когда температура воздуха понижается, дом проветривается прохладным воздухом и теплоак-кумулятор остывает, а днем немного прогревается. В целом же во всем доме поддерживается комфортный температурный режим.

Фото – 6.

ТРЕТИЙ вариант – применение МСК летом в качестве сушилки для фруктов. Сушилка полностью загруженная фруктами изображена на Фото-6.

Раньше сушка фруктов осуществлялась на самодельной сушилке природным газом. Расход газа только на сушку был до 200 кубометров за сезон.

Использование солнечной сушилки решило и часть «продовольственной программы» плюс экономия газа. Эксплуатировалась она два летних сезона 2013-2014 годы. Результаты опытной эксплуатации просто отличные. Угол облучения в полдень составлял около 45 градусов и максимальные температуры достигали 60 – 70 С. Мухи, осы и прочая живность просто погибали, если забирались внутрь.

Основной сложностью оказалось соблюдение температурно – влажностного режима. Например влажность яблок составляет 90 процентов. Поэтому на первом этапе сушки требовалась продувка, а это предусмотрено конструкцией –продувочные форточки. Очень неплохие оказались и эксплуатационные характеристики. Это защита от осадков, не нужно убирать на ночь и т.д. Нужно только устанавлиать листы с нарезанными фруктами, сортировать их по мере готовности и забирать готовый продукт. Основной трудоемкой операцией оказалась порезка фруктов (яблок).

Оказалось что сушка фруктов – это целая наука со своими тонкостями и технологией. Производительность за летний сезон составляет примерно 500 кг сырых фруктов яблок, груш и т.д. Готового экологически чистого продукта около 50 кГ за сезон. При цене сухофруктов 20 грн/кГ и стоимости МСК сушилки несколько сот гривен срок окупаемости составляет 2 летних месяца. Пересушить можно ВСЕ фрукты Украины, а пропадает их очень большое количество.

Фото 7.

Ведутся работы и по использованию энергии ветра для выработки

электроэнергии. На Фото-7 показан ветродвигатель диаметром 5 метров

и расчетной мощностью на валу 2 кВт при расчетной скорости ветра 8 м/с.

Ветродвигатель без эл.генератора проработал несколько лет. Прошел ресурсные испытания. Необходимо только приобрести тихоходный генератор, смонтировать на ветродвигатель и снять реальные технические

характеристики. Ощущается дефицит времени и отсутствие финансирования.

С решением задачи по выработке эл.энергии мы получаем не просто энергоэффективный дом, а уже энергонезависимый с избыточной выработкой электроэнергии.