Цеха для производства строительных материалов предлагается обогревать энергией солнца и теплом отработанного воздуха методом рекуперации. Цель предлагаемого проекта - снижение теплопотерь и создание комфортной среды для работников. Потребитель систем, связанных с использованием альтернативной энергии, всегда стоит перед непростым выбором - как оценить эффективность предлагаемого устройства. Продавец никогда не станет ругать свой товар! За последние два-три года предложение различных систем, работающих на альтернативных источниках, стало весьма разнообразным. Реклама пестрит объявлениями, все хвалят свой товар.

В то же время потребитель не торопится массово приобретать и использовать такие устройства.

Это связано с решением двух основных вопросов:

■ отсутствием внятной информации, построенной на статистике использования, применительно к месту предполагаемой эксплуатации;

■ более устойчив психологический порог потребительских свойств классического угле-водородного сырья, когда потребитель готов смириться с некоторым ростом цен и не настроен на дополнительный комплекс проблем, связанных с изменением сложившегося уклада жизни.

На первый вопрос можно ответить достаточно просто. Все инновации проходили период апробации силами энтузиастов. Следовательно, статистика появится не скоро. Потребителю придется отыскивать информацию в специализированных изданиях и сети Интернет и самому анализировать имеющиеся предложения. Кроме того, системы, использующие альтернативные источники энергии, являются, по сути, индивидуальными, что и позволяет достичь максимальной экономичности и эффективности, но не дает абсолютно точного прогноза. Индивидуальные системы требуют индивидуального подхода!

Относительно второго вопроса следует заметить, что переход от деревенской печки к газовому котлу ("чисто, включил и забыл") тоже был непростой дилеммой. Затраты на монтаж радиаторов, котла и подключение к газопроводу порой были равны стоимости дров на ДВАДЦАТЬ ПЯТЬ отопительных сезонов! Тем не менее, этот барьер многими преодолен.

Методов получения тепловой энергии из окружающей среды существует огромное множество. Сегодня хотелось бы поговорить об эффективности использования солнечного тепла как наиболее универсального и парадоксального вида обогрева. Универсального -благодаря своей распространенности и безграничности. Когда человечество научится использовать 10% тепла, поступающего на планету от Солнца, то все станут, безусловно, богаты и счастливы. Парадоксального - потому что большинство не верит в его эффективность, используя повсеместно на собственные нужды как процесс дыхания.

Немного лирики. Зачастую, нагревая бочку с водой на дачном участке с помощью солнца, дачник не задумывается, что нагрев 1 литра воды на 1 градус требует 1,16 Вт энергии. А нагрев 200 литров воды до температуры "летней" требует около 5000 Вт энергозатрат. Причем бочка почти не имеет перпендикулярных солнечному потоку плоскостей и теплозащиты для сохранения и аккумуляции тепла!

Стандартная методика замеров солнечного тепла, приходящегося на единичную поверхность, предполагает производство замеров на горизонтальной поверхности. Применение метода отслеживания солнца - замеры с поверхности, перпендикулярной солнечному потоку, обычно не производятся, так как нерациональны. При проведении замеров по данной методике результаты будут равны произведению солнечной постоянной на продолжительность светового дня и корректировкой на суточные погодные условия (облачность, загазованность атмосферы и т.п.). Стандартные усредненные данные для расчета эффективности применения солнечных систем для широты города Минска приведены на графике (рис. 1). Приведенный график построен на основе стандартной методики замеров на горизонтальной поверхности. Данные представлены в формате: количество Вт солнечного тепла на квадратный метр горизонтальной поверхности в час по месяцам года.

Пересчитав продолжительность месяца в часах, данные можно представить в таблице (табл. 1). Информация представлена в формате: количество Вт солнечного тепла на квадратный метр "идеальной" горизонтальной поверхности за месяц.

В связи с тем, что направление солнечного потока по отношению к горизонтальной поверхности (а равно и к точке размещения солярной конструкции) сильно изменяется, данные для расчетов эффективности солярных устройств по зимним, осенним и весенним месяцам можно считать условными.

В то же время на основе интерполяции имеющихся данных для вертикальной поверхности получаются другие сведения (табл. 2).

На основании представленных данных можно сделать вывод о применении различных типов устройств для получения тепла.

Анализируя альтернативные энергосистемы, нельзя обойти стороной вопрос соотношения цены и эффективности. Окупаемость таких конструкций в настоящее время - примерно 5-7 лет. В то же время срок эксплуатации -около 10 лет, и редко больше. В связи с ростом цен на энергоносители из углеводородного сырья наблюдается увеличение стоимости материалов. Поэтому ожидать снижения цен на изделия, применяемые в альтернативной энергетике и построенные с использованием классических решений, не приходится.

Повышение эффективности использованием редких, специальных или высокотехнологичных материалов сейчас резко увеличивает стоимость. Сегодняшняя статистика говорит о том, что при небольшом увеличении КПД (на 20-40%), рост стоимости конструкций становится существенным (до 3-5 раз). В перспективе, на следующем витке развития технологий, возможно существенное снижение стоимости. Если сопоставить изменения в отрасли производства электроники, то есть повышение технологичности, эффективности и снижение цены с периодом ее развития, то можно предположить, что через 15-20 лет подобное произойдет и в области развития систем индивидуальной энергетики. В то же время простые технические решения по получению тепла из солнечной энергии еще не исчерпали свой потенциал и в связи с этим требуют нестандартных подходов.

Конструкция, совмещающая в себе два метода получения тепла, представлена на рис. 2.

Устройство, предназначенное для подогрева-теплообмена воздуха, совмещает в себе два узла: солнечный тепловой коллектор и теплообменник (рекуператор Вавилова-Саевича) для проходящих масс воздуха. Прототип устройства защищен патентом на полезную модель № 4823 (авторы: Вавилов А.В. и Саевич СМ.). Конструкция является индивидуальной системой помещения, предназначенной для установки на внешней стене строения.

Принцип действия устройства понятен из рис. 3.

Представленная конструкция эффективна даже при полном отсутствии света и размещении на северной стороне здания, возвращая не менее 50% тепла от основного теплогенератора при теплообмене воздушных потоков и порой конкурируя с основной тепловой системой.

Воздухообменные каналы - отверстия, устраиваемые в стене. На один узел требуется два воздухообменных канала: принудительный приточный (подачи), диаметром 250 мм, расположенный вблизи пола; безнапорный (сброса), диаметром 200 мм для исходящего потока, располагаемый непосредственно у потолка помещения.

Габариты модульного элемента, размещаемого на внешней поверхности ровной стены, имеют три типоразмера по ширине (в зависимости от объема сопряженного помещения): 280 мм (9-14 м2), 380 мм (15-25 м2), 500 мм (26-40 м2). Высота узла 2500 мм, толщина 100 мм. Благодаря малой толщине РВС может применяться на наружных стенах здания любой географической ориентации как индивидуально, так и с возможностью интегрирования в термошубу при проведении термо-санации строений, не нарушая эстетичность фасадов зданий. Производство таких модулей налажено на предприятии Республики Беларусь.

Казалось бы, самый простой способ сэкономить энергию в зданиях - ограничение или даже устранение вентиляции. Однако это неприемлемо по нескольким причинам. Наши дома являются микропространствами, изолированными от окружающего мира, и современный человек проводит около 90% своего времени внутри помещения. По этой причине качество воздуха, которым мы дышим, является настолько же важным, как и качество воды, которую мы пьем. Для подрастающего организма и человека, занимающегося активными видами спорта, качество воздуха имеет первостепенное значение.

В течение обычного дня в воздух помещений выделяется бесчисленное количество химических веществ и биологических агентов. Многие из них являются только неприятными для обоняния, но некоторые могут оказывать вредное влияние на организм в целом, если они вдыхаются в течение длительного времени.

В число типичных загрязнителей атмосферы жилых помещений входят следующие.

Продукты биологической жизнедеятельности людей и домашних животных. Воздух, который мы выдыхаем, содержит, кроме двуокиси углерода, также аммоний, окись углерода, ацетон и около 40 других веществ в количествах, зависящих от принимаемой людьми и животными пищи.

Частицы волос, кожи и перхоти способствуют образованию домашней пыли. Перхоть со-бирается в более крупные образования, которые плавают в воздухе во взвешенном состоянии, неся в среднем по 4 и более бактерии.

Микробы, бактерии, вирусы, плесень, грибы, споры и цветочная пыльца присутствуют во всех укромных уголках. Они являются постоянной угрозой нашему здоровью.

Влажные испарения, возникающие как результат жизнедеятельности человека, в ванных, кухнях от стиральных, посудомоечных машин и т.п., являются первым источником ухудшений воздушной среды в зданиях и развития микробов.

Табачный дым и его вредные компоненты.

Аэрозольные спрэи, так широко используемые сегодня, выделяют химические вещества, которые могут быть опасными для здоровья людей.

Химические вещества, выделяемые строительными материалами. Так, обои источают в воздушную среду домов винил, октан, формальдегид и другие вещества. Мебель, изготовленная из прессованных опилок, - испарения формальдегидных смол.

Присутствие всех этих загрязнителей наносит вред человеческому здоровью. Наблюдается постоянный рост количества заболеваний, среди которых раковые заболевания дыхательного тракта.

Количество аллергических заболеваний, таких, как астма, аллергические риниты и экзема, примерно удвоилось за последние пятнадцать лет. Если эта тенденция сохранится, то уже в ближайшее время каждый человек на Земле станет аллергиком. Недостаточное соответствие требованиям гигиены воздуха способствует передаче переносимых воздухом многих возбудителей респираторных инфекций, таких, как простуды, риниты, синуситы, грипп, свинка, корь и ветряная оспа.

Необходимо отметить, что в последние десять лет в области жилищного домостроения появилась проблема плохого воздухообмена в жилых помещениях. Эта проблема развилась на фоне борьбы с тепловыми потерями. Потери через неплотности оконных проемов оказались сведены на нет благодаря хорошей герметичности современных окон. Воздушно-теплообменные процессы старых зданий и устроенные в них вентиляционные каналы, спроектированные на прежней нормативной базе, учитывали как технологию строительства, так и номенклатуру применяемых изделий, значительно ухудшились. Большинство обитателей таких помещений отмечают ухудшенный воздухообмен и пониженную влажность.

Система, применяющая принцип принудительной вентиляции наружного воздуха в обитаемые помещения, безусловно, улучшит качество воздушной среды. Величина такого улучшения будет зависеть исключительно от количества такого воздухообмена, то есть от длительности применения устройства. Включение устройства в режиме ручного управления во время сна поможет улучшить качество отдыха.

Когда стоимость топливных ресурсов была низкой, вопросы энергосбережения предполагали проведение мероприятий по непосредственному снижению прямых затрат. Понятие энергоэффективность стало употребляться сравнительно недавно. Этот термин значительно шире, он подразумевает не только ликвидацию лишних трат энергии, но и повышение коэффициента полезного использования энергии во всех энергетических процессах. Повышение КПД использования энергоресурсов при обогреве помещений реализуется применением систем рекуперации воздушных потоков, организацией теплообменных процессов между нагретым выходящим воздухом и холодным входящим, так как наибольшие потери (50%) приходятся на вентилирование. Остальные потери через ограждающие конструкции распределяются следующим образом: через окна - 32%, через пол и стены - 18%.

Экономия энергоресурсов, не только ее финансовая составляющая, в обобщенном виде благоприятно отражается на состоянии природы, поскольку позволяет сократить производство энергии (или наращивать меньшими темпами) и избежать загрязнения и отходов по всей, как правило, весьма длинной, цепочке ее производства, распределения и использования. Следовательно, экономия энергоресурсов улучшает качество окружающей среды! По подсчетам специалистов, энергосбережение оказывается в 4-5 раз экономически выгоднее, чем выработка эквивалентного количества энергии.

Основные технические функции устройства - нагрев солнечным излучением наружного воздуха с подачей его принудительным образом во внутренние помещения, рекуперация тепла посредством теплообмена воздушных потоков выходящего и входящего воздуха, повышение теплового сопротивления наружной стены (аналогично пассивной термосанации стен), улучшение воздухообмена в помещениях.

Управление работой устройства осуществляется в автоматическом и ручном режимах.

Нагрев теплообменной поверхности в устройстве происходит естественным путем - благодаря использованию свойств солнечного излучения (физическая константа солнечной постоянной около 1400 Вт/м2 час).

Наибольшую часть тепловой энергии устройство будет возвращать методом рекуперации, восстанавливая потери на теплообмене воздушных потоков тепла, генерированного существующей системой отопления. Потери на вентиляцию могут составлять до 50% всех потерь в многоквартирных домах и до 30% -в отдельно стоящих семейных коттеджах. Обычно вентиляция осуществляется посредством одновременных процессов удаления несвежего воздуха и нагнетания наружного свежего воздуха, который зимой может быть холоднее удаляемого более чем на 40 °С. Нагрев подаваемого воздуха до комнатной температуры требует огромного количества энергии. Не все знакомы с фактом, что использование низкоэмиссионных, хорошо уплотненных стеклопакетов сильно ограничивает эффективность естественной вентиляции, а в некоторых случаях делает ее невозможной.

Общепринятой системой вентиляции в домах является естественная гравитационная вентиляция через щели в окнах и вертикальные каналы в стенах здания. Эта система весьма неэффективна и вызывает высокие тепловые потери. Интенсивность воздухообмена естественной вентиляции зависит от скорости ветра и разницы температур внутреннего и наружного воздуха, что вытекает из фундаментального закона физики о естественной конвекции. Теплый воздух поднимается, а хо-лодный - опускается. В вентиляционных каналах создается так называемая тяга, и воздух удаляется из здания. Таким способом, созданное низкое давление уравнивается за счет воздуха, поступающего в здание через щели в окнах и дверях.

В случае, когда отсутствуют вертикальные каналы, воздух обновляется в помещении благодаря наличию щелей и неплотностей в конструкциях дверей и окон. Теплый воздух удаляется через верхние щели. Холодный новый воздух поступает через нижние щели. Из-за частых колебаний температуры наружного воздуха параметры, обеспечиваемые системой вентиляции, редко близки к оптимальным значениям. Кроме того, из-за разницы в наружном и внутреннем давлении в помещение поступает значительное количество пыли.

Устройство организует принудительное упорядоченное направление воздушных потоков. После прохождения воздуха через простой тканевой фильтр внутри помещения возникнет небольшое избыточное давление, которое перераспределит воздушные потоки, перенаправив их в пассивный, встроенный в устройство, рекуператор. Тканевой фильтр очищается застирыванием с применением CMC и несет в себе двойную функцию, являясь еще и акустическим экраном от шума вентилятора.

Кроме того, работая как пассивный утеплитель, повышающий тепловое сопротивление стены, панель снижает потери в окружающую среду как наружная термошуба. Конструкция устройства имеет тепловой замок, предотвращающий потери тепла в режиме простоя.

При сравнении с жидкостными воздушные коллекторы можно использовать в более раннее и более позднее время суток, что является явным преимуществом - в периоды солнечной активности воздушный коллектор производит больше энергии, чем жидкостный аналогичных размеров. Кроме того, в отличие от жидкостных воздушная система не только не замерзает, но и избавлена от существенных проблем, которые может вызвать малейшая утечка в коллекторе и распределительных каналах. Также необходимо учитывать и экологичность технического решения, связанного с применением воздуха как теплоносителя.

Типовые затраты на отопление жилого помещения предполагают расход энергии около 1000 Вт/час на обеспечение комфорта на площади 10 м2, то есть в помещении объемом около 27 м3, согласно старым нормативным нормам.

В настоящее время проведение термосанации стен старого жилого фонда и введение новых нормативов в строительстве предполагает снижение расхода на отопление в четыре раза, то есть затраты около 250 Вт/час тепловой энергии. Система рекуперации тепла воздухо-обменных потоков помещения предполагает возврат не менее половины тепловой энергии (КПД более 50%), что выражается в возврате не менее 125 Вт/час тепловой энергии с помещения площадью около 10 м2.

Следовательно, если использовать в расчетах помещение с площадью 14-16 м2, то мы получим тепловую мощность, эквивалентную 200 Вт энергии в час. Для переноса такого количества энергии достаточно воздуха в объеме 0,55 м3 в час, то есть отсутствует потребность в мощном и высокопроизводительном вентиляторе. Для справки: теплоемкость воздуха при 0 °С составляет 0,36-0,37 кВт/м3. В связи с этим для монтажа в конструкцию предлагается установка вентилятора от компьютерных систем с посадочным диаметром 120 мм, мощностью потребления около 0,33 А/12 В (4,0 Вт). Благодаря низкому напряжению питания и энергопотребления такой подход наиболее безопасен с эксплуатационной точки зрения и энергетически сбалансирован, так как затраты на вентилирование будут минимальными с соотношением затраченной энергии к рекупери-рованной 1:40-50.

Установка вентилятора с подводимой электрической мощностью более 100 Вт делает систему энергетически нецелесообразной. Кроме того, маломощный вентилятор не будет вносить существенных изменений в воздушные потоки квартиры, то есть не спровоцирует дисбаланса тепла при работе в одном помещении из многих. Дополнительно необходимо отметить, что для комфортного (с существенными теплопотерями) воздухообмена в комнате порой достаточно щели или приоткрытой форточки зимой или распахнутого окна летом при закрытой межкомнатной двери.

Вавилов A.B.,профессор, д.т.н.;Саевич СМ.,член Белорусского общественного

научного объединения создателей технологических машин