Комментарий к этим двум системам аккумуляции тепла

Введение

Описание Cliff House представляет интерес в связи с тем, что в нем достигнуто 100% солнечное отопление простыми и дешевыми средствами. Все узлы и конструкции можно изготовить буквально "на коленке".

Текст я дополнил 25 цв. изображениями с показом путей движения воздушных потоков, которые обозначил следующими цветами: горячий воздух - красным; холодный - синим; прохладный - сиреневым. Пояснения и дополнения к тексту выполнены мелким курсивом. Изображения и разрезы, необходимые для понимания работы системы отопления, охлаждения и вентиляции были получены с 3D - модели после выполнения мной в ArchiCAD 6.5 архитектурного проекта Cliff House по его описанию, фотографиям, рисункам и схемам из книги W. Shurcliff "Super solar houses - Sauders's 100% solar, low-cost designs". Подвигли меня на эту работу некоторая неполнота описания и неточности в книге. Возможно, это как-либо связано с тем, что отчет У. Шарклифа по строительству Cliff House был выполнен в мае 1983 г., а патент на изобретение, использованное Н. Саундерсом в проекте дома, был получен 12 ноября 1983 г. Таким образом, на этом доме была произведена "обкатка" изобретения.

УСПЕХОВ ВАМ!

Олег Б. Меньшенин
26 октября 2002 г.

Версия перевода 1.1. Январь 2003.

Copyright © 2003. All Right Reserved.

Авторские права на перевод и все иллюстрации данного издания принадлежат Олегу Б. Меньшенину. Все права защищены.

Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена или переведена в любую форму средств электронной информации, механической, ксерокопии, записи или других без письменного разрешения от Олега Б. Меньшенина:
454016, Челябинск, а/я 3357.
E-mail: [e-mail]

Общий обзор

Cliff House, спроектированный и построенный по типу Shrewsbury House, имеет весьма желательные конструктивные особенности, отсутствующие в Shrewsbury House. При сравнении с Shrewsbury House, который являясь на 100% отапливаемым солнцем, не имеет никакого вспомогательного источника тепла, и системы отопления и охлаждения которого почти полностью автоматизированы в управлении, Cliff House имеет следующие преимущества:

· отсутствие застекленной крыши (весьма существенная конструктивная особенность);

· почти полная свобода в выборе формы и расположении комнат, при условии, что общий план дома близок по форме к прямоугольнику;

· независимое управление системами отопления и охлаждения;

· теплица (sunspace) большего размера и более пригодна для нахождения людей;

· отсутствие в проекте смещения уровней пола (обычный 2-этажный дом) и вход в главный этаж непосредственно с поверхности земли.

Эти особенности, имеющие большую привлекательность не только для предполагаемых владельцев, но также и для архитекторов, описаны детально в одной из следующих глав.

Существовало лишь одно ограничение при проектировании Cliff House, которое заключалось в том, что фактический коэффициент теплопотерь не должен превышать запланированный. Коэффициент теплопотерь должен был оставаться низким, а теплоизоляцию необходимо было смонтировать тщательно (без промежутков). Запас мощности отопительной системы этого дома для достижения 100 % солнечного отопления скромен (приблизительно 20 % для обычного декабря) и, соответственно, можно было допустить некоторый избыток тепловых потерь. (У Shrewsbury House запас мощности больший, около 40 %.) Н. Саундерс сделал вывод, что, вообще, одним из самых больших источников волнения для инженеров, проектирующих солнечное отопление, является неопределенность относительно уровня теплопотерь, который превысит запланированный коэффициент. Капризы погоды вполне понятны, но капризы смонтированных паро- и теплоизоляционных барьеров - иногда непредсказуемы.

Примечание:

Эта глава написана с учётом того, что строительство дома завершёно. Это примечание делает отчет короче и проще. Фактически, с мая 1983 года, некоторые детали конструкции дома и его солнечной системы не были закончены. Некоторые из фактов, касающихся деталей проекта - просто мои наилучшие предположения относительно того, что станет действительностью. Основная конструкция дома и основные узлы солнечной системы завершены. Поэтому, ввиду значительной новизны, оказалось возможным подготовить отчет, несмотря на то, что некоторые из узлов еще не смонтированы.

Общее описание

Cliff House расположен на южном склоне скального уступа 12-метровой высоты в Вестоне (шт. Массачусетс), приблизительно в 12 милях к западу от центра Бостона. Плоская лужайка простирается на 12 м с южной стороны дома, а за ней - крутой откос. Это - ветреное место; к западу или югу от дома нет никаких высоких деревьев. Отопительная нагрузка этого места 3316 градусо-дней. Cliff House - двухэтажный каркасный дом: с 3 спальнями, 2 ванными комнатами, большой теплицей с южной стороны и гаражом на 2 автомобиля, пристроенным с востока. Имеется чердак, но отсутствует фундамент, т.к. его функцию выполняет скальный уступ, находящийся лишь метром ниже первого этажа. Жилая площадь дома - 98,6 м² (11,6 х 8,5). Таким образом, жилая площадь двух этажей составит 2 x 11,6 x 8,5 = 197,2 м². Если прибавить 42,9 м² (11,6 x 3,7) площади теплицы, тогда общая площадь достигнет 240,1 м². Если прибавить также 57,7 м² (7,9 х 7,3), занимаемых гаражом, то общая площадь составит 297,8 м². Реальные площади немного меньше, т.к. из указанных площадей следует вычесть площади, занимаемые стеной, разделяющей общую комнату и теплицу, массивным блоком системы отопления и охлаждения, а также прихожей, но это не принципиально.

В основу проекта дома положен проект Эдварда Ф. Шабо, архитектора, живущего в Вальтхеме (шт. Массачусетс). Проект выполнен в характерном для Новой Англии архитектурном стиле Salt Box.

Общая форма дома, ориентация, точное положение и особенности солнечного отопления были определены Н. Б. Саундерсом. Так как особенности солнечного отопления этого дома не предусматривали вовлечение в общую систему отопления жилой зоны (за исключением двух воздуховодов и двух вентиляторов), архитектор наслаждался большой свободой в выборе планировки жилой части дома.

Главные конструктивные узлы системы солнечного отопления:

· чрезвычайно большое остекление южной стены 2-светной теплицы, которая выполняет функции солнечного коллектора, а также служит удобным салоном;

· верхняя система аккумулирования тепла (на чердаке);

· нижняя система аккумулирования тепла ((подо всей жилой зоной);

· единая система воздухораспределения;

· внутренняя система солнечного горячего водоснабжения.

Строитель, Антонио Пульсоне, является также владельцем этого дома. Он и его семья будут жить в нем.

Стоимость дома (без стоимости земли, проекта дома, проекта системы солнечного отопления) составила бы приблизительно $ 120,000, если бы воспользовались услугами обычного строительного подрядчика. Поскольку владелец, выполняя функции обычного подрядчика, сделал значительную часть работы сам и проявил много изобретательности в снижении затрат, то фактическая стоимость дома наверняка оказалась значительно ниже.

Последующие рисунки показывают общий вид и планировку дома.

Рис. 1. Перспектива. Вид с юго-востока.

 

Рис. 2. Вид с востока.

 

Рис. 3. Вид с запада.

 

Рис. 4. Вид с севера.

 

Рис. 5. Южный фасад Cliff House, 8 окон с 2-слойным остеклением.

 

Рис. 6. План первого этажа дома:
1 - гараж; 2 - прихожая; 3 - теплица; 4 - общая комната-столовая; 5 - кухня; 6 - холл; 7 - туалет; 8 - техническое помещение; 9 - кладовая.

 

Рис. 7. План второго этажа дома:
10 - холл; 11 - бытовая комната; 12 - спальня 1; 13 - холл; 14 - спальня 2; 15 - спальня хозяев; 16 - гардеробная; 17 - ванная комната хозяев; 18 - ванная комната.

 

Основные цели и стратегии

Особо специальные цели для Cliff House:

· снабдить дом большой встроенной теплицей для инсоляции, отдыха и т.д. (использование ее для выращивания растений - второстепенно);

· спроектировать дом в целом так, чтобы он имел обычную крышу (никакого остекления или панелей солнечных коллекторов на крыше).

Основная цель солнечного проектировщика состояла в том, чтобы достичь 100% солнечного отопления без заметных ограничений для работы архитектора. Архитектор должен был быть свободен в выборе количества комнат, их форм и размеров, материалов, использованных для пола, стен комнат и т.д. Другими словами, проект жилых комнат не должен был быть во власти соображений по поводу поступления солнечной энергии или её аккумулирования (соображения в использовании материалов для аккумулирования солнечного тепла должны были применяться только к чердаку, подпольному пространству и незначительной части теплицы).

Главные специальные стратегии Cliff House:

· использование теплицы непосредственно в качестве коллектора достаточно высокотемпературной теплоты с одновременным поддержанием температуры ниже 24°C, комфортной для нахождения людей в основном пространстве теплицы;

· узколокализованный, конвекционный поток воздуха в пределах теплицы, несущий собранную солнечную энергию (в виде нагретого ею воздуха с температурой 24...43°C) вверх, в южную часть чердака. Также, обратите внимание на обратный воздушный поток в теплицу и заметьте, что этот воздух относительно прохладен (в пределах 20...23°C) для поддержания достаточного комфорта людей, находящихся в теплице;

· установка в южной части чердака верхней системы аккумулирования тепла, имеющей большую теплоемкость (26,4 мДж), большую площадь поверхности (170 м²) и высокую степень температурной стратификации;

· установка под первым этажом нижней системы аккумулирования тепла, которая имеет значительно большие теплоемкость (63,3 мДж) и площадь поверхности (2800 м²), и при этом термически стратифицирована. Обычная температура этой системы в зимнее время должна быть в пределах 16...24°C;

· установка двух, с автоматически регулируемой скоростью, вентиляторов (с соответствующими воздуховодами и средствами управления), способными к выполнению любой из следующих функций, которые требуются для поддержания комфорта в комнатах:

o передача теплого воздуха с чердака в комнаты;

o передача теплого воздуха с чердака в нижнюю систему аккумулирования тепла;

o передача прохладного воздуха из самой прохладной области нижней системы аккумулирования тепла в комнаты.

Примечание:

Н. Саундерс прилагает патент на системы управления воздушным потоком, обладающих этими возможностями.

Верхняя система

Эта система должна иметь небольшую массу, потому что:

· находится высоко;

· требует прочных несущих конструкций;

· дополнительная стоимость усиленных несущих конструкций должна быть достаточно низка ($500...1,000).

Соответственно, в качестве теплоаккумулирующей среды используется вода, которая в свою очередь имеет намного большую теплоемкость, чем любой другой дешевый теплоаккумулирующий материал. Так как в этой системе существует высокая степень температурной стратификации (верхняя часть очень горячая, нижняя относительно прохладная), то большая часть изоляции должна быть размещена над ней, а под ней необходимо размещение теплоизоляции лишь небольшой толщины. Поскольку для этой системы без каких-либо ограничений допустимы большие температурные колебания, то нет никакой необходимости в наличии исключительно большой площади поверхности (для теплообмена с воздухом, проходящим через неё); вполне достаточно около 170 м² полной площади поверхности теплообмена.

Нижняя система

Поскольку эта система находится прямо на земле (кроме того, на скальном выступе), то вполне допустимо использование, скажем, 100 тонн теплоаккумулирующего материала. В частности допустимо использование камней, несмотря на то, что даже после плотной трамбовки их теплоемкость составит не более 20% теплоемкости воды. Решение использовать камни дает большую выгоду: используя камни, которые в диаметре всего лишь несколько дюймов, проектировщик достигает полной поверхности около 2800 м², то есть огромной площади поверхности теплообмена. Поскольку площадь столь велика, то изменение температуры, при передаче тепла от воздуха к камням (или наоборот), незначительно (менее 1°C). И потому, что эта потеря незначительна, сохранять температуру верхней части бункера из камней (и бетонный пол первого этажа, расположенного над ним) близкой к температуре 21°C является выполнимым независимо от температуры верхней (основной) системы, которая может быть довольно высокой (например, 54°C) или довольно низкой (например, 29°C).

Поскольку температура верхней части бункера и бетонного пола, расположенного над ним, почти всегда близки к 21°C, то можно рассчитывать на то, что будут выполнены две различные, две противоположные функции:

· нагрев воздуха на первом этаже всякий раз, когда тот охлаждается ниже 21°C;

· охлаждение воздуха всякий раз, когда тот может нагреться выше 24°C.

Даже если зимой в один прекрасный день, температура комнат может стать слишкой низкой, а днём стать слишком высокой, то рассматриваемая масса может нагревать комнаты утром и охлаждать днем, и, таким образом, поддерживать температуру в помещениях комфортабельной в течение всего времени. Всё это возможно благодаря большой термической массе, большой теплообменной площади поверхности камней бункера и бетонного пола. Ясно, что нельзя повышать температуру нижней теплоаккумулирующей системы выше 24°C. Это быстро перегрело бы комнаты нижнего этажа (конвекцией и излучением), и чрезмерно горячий воздух тут же проник бы в комнаты верхнего этажа, перегревая их.

Заключение

Два этажа жилого пространства, находятся между верхней и нижней системами аккумулирования тепла, каждая из которых разработана для выполнения своих функции. Комбинация имеет мгновенную двустороннюю способность: верхняя система всегда готова к немедленной поставке теплоты, а нижняя система готова к тому, чтобы противодействовать перегреву.

Имейте в виду, что практически во всех других домах с системами солнечного отопления эта двусторонняя способность отсутствует. Обычный дом имеет только одну систему аккумулирования тепла, и зимой эта система остаётся горячей, а, следовательно, неспособна к предотвращению перегревания комнат в теплый мартовский день. Всё лето система сохраняется прохладной и также ничем не сможет помочь, если холодным вечером в июне комнаты станут слишком холодными. Дело в том, что весной и осенью несколько тёплых дней могут сопровождаться и несколькими холодными днями или наоборот, и многие системы солнечного отопления неспособны справиться с такой ситуацией. Поэтому, обычный солнечный дом нуждается во вспомогательной системе отопления, чтобы справиться с внезапными похолоданиями, и также - вспомогательной системе охлаждения, чтобы справиться со слишком жаркими днями. Открытые окна не эффективны для охлаждения, если наружная температура 32°C.

Проект Cliff House таков, что комнатная температура остаётся комфортной, даже тогда, когда несколько жарких дней сопровождаются несколькими холодными днями; и нет никакой необходимости для жильца использовать какое-либо средство управления, поскольку всё управление автоматизировано. (Жилец должен выполнять определенные регулировки системы каждую осень и весну, но нет никакой необходимости день ото дня что-то регулировать).

Как поясняется в следующих главах, температурная стратификация в пределах каждой системы аккумулирования тепла улучшена, то есть, расширена как в области формирования подвода теплового потока, так и в области формирования отвода теплового потока. Стратификация существенна для полной универсальности и эффективности системы регулирования температуры.

Теплица (Sunspace)

Наиболее важным и наиболее интересным компонентом системы солнечного отопления Cliff House является большая встроенная теплица (sunspace), которая выполняет функцию солнечного коллектора.

Теплица разработана для выполнения двух, казалось бы, несовместимых целей:

· периодически получая значительное количество солнечной радиации она должна поглотить значительную ее часть и передать в виде теплоты воздуху. Затем этот нагретый воздух, поднимаясь вверх, проходит через щель в потолке теплицы и попадает на чердак, где течет сквозь верхнюю систему аккумулирования теплоты, расположенную в южной части чердака;

· северная часть теплицы должна всегда оставаться прохладной, чтобы людям там было бы достаточно комфортно.

Последующие главы поясняют, как достигаются эти, казалось бы, несовместимые цели.

Основные размеры

Длина теплицы та же, что и дома, т.е. 11,6 м. Она в 2 этажа (двухсветная) высотой 5,5 м, а ширина ее составляет 3,7 м. По моим расчетам высота теплицы 5,1 м.

Остекление

Полная площадь остекления наружных стен теплицы - 41,8 м². Она включает в себя:

· остекление южного фасада;

· остекленную дверь восточного фасада;

· остекленную дверь западного фасада.

Южный фасад теплицы, состоит, главным образом, из восьми больших вертикальных окон - по 4 в нижнем и верхнем рядах. Каждое окно состоит из двух больших стеклянных панелей по типу раздвижной двери, т.е. они изготовлены и установлены на ролики, так же как и раздвижные двери. Однако, для устранения утечки тепла по периметру панелей строитель намеревается уплотнить панели в закрытом положении. Каждое из этих 8 окон имеет следующие размеры:

· ширина - 2,4 м;

· высота - 1,8 м.

Их общая площадь составляет 37 м². Думаю, что размеры окон 2,35х2,0 м.

Каждая панель состоит из 2 листов прозрачного с низким содержанием железа закаленного 5-миллиметрового стекла, установленных с воздушным промежутком в 10 мм. Коэффициент пропускания солнечной радиации для каждой из этих панелей под углом до 30° к нормали составляет 77%. Восточная дверь теплицы состоит из двух стеклянных панелей. Полная площадь - 2,3 м². Коэффициент пропускания и тепловое сопротивление те же, что и у панелей южного фасада. Западная дверь идентична восточной. Размеры дверей вероятнее всего 2,2х1,6 м и поэтому площадь будет составлять не 2,3 м², а 3,2 м². Общая площадь остекления теплицы составит около 44 м².

Рис. 8. Остекления южного и восточного фасадов.

Пол

Пол теплицы - 100-миллиметровая бетонная плита, покрытая каменной плиткой. Цвет плитки не имеет большого значения, т.к. пол не является основным поглотителем солнечного тепла. (Система, поглощающая солнечное тепло будет описана ниже).

Северная стена

Северная стена теплицы включает в себя массивный блок системы отопления и вентиляции и 6 больших остекленных проемов, через которые в комнаты южной ориентации верхнего и нижнего этажей проникает дневной свет, небольшое количество прямой солнечной радиации и открывается обзор. Каждый проем представляет собой сдвижную дверь с двойным остеклением. Это относится к 1 этажу, т.к. на 2-ом этаже находятся окна обычного размера.

Владелец предполагает в дальнейшем установить в северной части теплицы небольшой (0,6...0,9 м ширины) балкон для комнат верхнего этажа.

Рис. 9. Вид из теплицы на ее северную стену, отделяющую теплицу от общей комнаты.

 

Рис. 10. Вид из общей комнаты на стену, отделяющую ее от теплицы (северную стену теплицы), слева на потолке видны решетки системы воздушного отопления.

 

Блок системы отопления и вентиляции имеет следующие размеры:

· ширина 2,4 м;

· толщина 0,9 м.

На уровне пола чердака ширина ее уменьшается до 1,2 м. На уровне пола чердака ширина ее составляет 0,9 м. Северная стена блока вытяжной вентиляции включает в себя камин шириной 0,9 м, обогревающий 11,6-метровое пространство общей комнаты. Дымоход камина расположен в западной части вентиляционного блока. В восточной части этой структуры находится вертикальный канал сечением 0,6 х 0,6 м. Пока нет никакого определенного плана использования этого канала, но позже в процессе эксплуатации он может помочь системе охлаждения, как будет описано ниже. Построенная из обычного рядового красного кирпича структура вытяжной системы (не учтена ее часть в пределах чердака) имеет массу около 9 т. Теплоемкость ее составляет примерно 4,2 Дж. Дымоход камина расположен в западной части блока только на 1-ом уровне, а к перекрытию 1-го этажа он выходит в среднюю часть блока и затем - вертикально вверх. В западной части блока над камином между перекрытиями 2 и 1 этажей я расположил канал системы воздушного отопления, имеющий сечение 0,6 х 0,6 м, т.к. именно там он и должен находиться. По схеме же, нарисованной в книге "Super-Solar Houses", этот воздуховод может оказаться в спальне хозяев. Все размеры, приведенные здесь, я немного округлил, т.к. реально они зависят от размеров применяемого кирпича.

Рис. 11. Структура системы отопления и вентиляции (разрез, вид с северо-запада): 1 - дымоход камина; 2 - канал системы охлаждения; 3 - канал системы отопления.

Система улавливания тепла

Исключительно важна для полного сбора и аккумулирования солнечной энергии система улавливания солнечной энергии: большой площади и незначительной массы система, которая улавливает большую часть солнечной радиации, поступающей в теплицу, преобразует это излучение в тепловую энергию, и быстро передает тепло воздуху. Горячий воздух, поднимаясь вверх, поступает на чердак и передает там значительную часть своего тепла верхней системе аккумулирования тепла.

Замечу, что если существенная часть солнечной радиации падала бы на пол теплицы, северную стену или кирпичную структуру вытяжной вентиляции, то это нагревало бы их все больше и больше, и вскоре теплица перегрелась бы. Важно, чтобы значительная часть солнечной радиации была перехвачена и чтобы эта энергия была передана текущему вверх воздушному потоку, а не полу и стенам теплицы.

Конечно, это улавливание не должно быть настолько полным, чтобы в теплице была полутьма или значительно ухудшился бы обзор на улицу. Система улавливания должна быть сконструирована так, чтобы улавливалось и поглощалось бы от 80 до 90% солнечной радиации, поступающей в теплицу через окна южного фасада, а 10...20% все же проникли бы глубоко в теплицу (и рассеялись там) и обеспечили бы дневным светом и обзором.

Система улавливания может состоять, главным образом, из системы 400 тонких элементов вертикальных жалюзи, каждый в 4,6 м высоты, 10 см ширины и 0,1 мм толщины, расположенной в теплице на расстоянии 0,3...0,6 м от окон южного фасада. Обычно элементы жалюзи параллельны один другому и часто могут быть ориентированы параллельно направлению север-юг. Каждая элемент - темная зеленовато-серая полоса, краситель "Зеленый хром" использован потому, что обладает особым свойством поглощать почти всю инфракрасную область солнечного спектра и, в то же время, отражать видимую часть излучения.

Рис. 12. Перспективный вид на жалюзи из северо-западного угла теплицы, показаны лучи прямого солнечного света, проходящего между элементами жалюзи.

Натяжением шнура можно изменять ориентацию элементов жалюзи. Развернутые в направлении Солнца они пропустят до 95% солнечной радиации, а расположенные перпендикулярно потоку солнечного света блокируют его поступление в теплицу. Кроме того, их можно развернуть таким образом, чтобы получить обзор в определенном направлении.

Рис. 13. При разных положениях элементов жалюзи пропускают прямой или отраженный солнечный свет.

В обычную зиму ориентация элементов должна быть такой, чтобы на них падало от 80 до 90% солнечной радиации, а 10..20% проникало бы внутрь теплицы. Благодаря селективным свойствам красителя, нанесенного на полосы, визуальный коэффициент пропускания превышает 10...20% и может быть от 20 до 35% и, соответственно, решетка полос не кажется темной и мрачной.

В течение солнечного полудня в январе жалюзи получают и поглощают много солнечной радиации, становятся очень горячими и нагревают близлежаций воздух. Результат: сильный направленный вверх поток очень горячего воздуха в непосредственной близости от жалюзи. Движущийся вверх поток горячего воздуха, отклоняясь немного к северу, достигает потолка теплицы и попадает в южную часть чердака через щель длиной 10,4 м и шириной 15 см. Поток движется, конечно, полностью пассивно.

Система жалюзи расположена достаточно далеко от окон южного фасада теплицы (на расстоянии 0,3...0,6 м) и поэтому движущийся вверх поток горячего воздуха не препятствует обратному стеканию с чердака потока прохладного воздуха, который движется вблизи (5 см) окон южного фасада. Этот движущийся вниз воздух проходит из южной части чердака (из верхней системы аккумулирования тепла) через щель, расположенную вблизи южной оконечности чердака, т.е. почти прямо над лентой окон южного фасада.

Рис. 14. Вид из проема восточной двери теплицы на потолок: 1 - элементы жалюзи; 2 - щель в потолке возле северной стены теплицы через которую горячий воздух попадает в верхнюю систему аккумулирования тепла; 3 - щель в потолке теплицы вблизи остекления южного фасада для обратного потока воздуха.

Замечу, что циркуляция воздушных потоков подобна обратной: воздух вблизи окон южного фасада стекает, а на некотором расстоянии от них поднимается вверх. Подобное течение воздушных масс типично в холодную ночь, но необычно в солнечный день. Почему это происходит? Потому, что система жалюзи расположена на некотором расстоянии от окон южного фасада и нагревается значительно сильнее, чем листовое стекло.

Рис. 15. План теплицы, показано место расположения системы вертикальных жалюзи.

 

Замечу также, что поток полностью пассивен, это - термосифонный поток, т.е. - гравитационно-конвективный.

Замечу в итоге, что этот поток независим от потоков, текущих в жилой части дома или в бункере с камнями в подвале. Пока все двери и окна между комнатами и теплицей остаются закрыты, отсутствуют любые воздушные потоки между теплицей и комнатами в прямом и обратном направлениях.

Назначение системы

Главное назначение цель нижней системы аккумулирования тепла - регулирование температуры, то есть поддержание температуры воздуха первого этажа на уровне 21°С и предотвращение повышения температуры в солнечные дни, когда большое количество солнечной радиации поступает через теплицу в жилые зоны, а также понижения температуры в холодные ночи.

Кратковременная стабилизация возможна, главным образом, благодаря большой теплоемкости нижней системы аккумуляции тепла, бетонному полу, а также, большой площади пола. Пол передает тепло в комнаты конвекцией и радиацией.

В долговременном плане стабилизация зависит в значительной степени от большой площади поверхности теплообмена бункера с камнями. Если, например, существует опасность сильного охлаждения камней, то они могут быть довольно быстро нагреты ускоренным потоком теплого воздуха из верхней системы аккумулирования тепла. Они могут быть нагреты довольно быстро благодаря огромной площади теплопоглощающей поверхности камней и малым температурным потерям при теплопередаче даже в том случае, если верхняя система аккумулирования тепла лишь умеренно теплая.

Основные характеристики

100-тонная масса камней имеет теплоемкость около 37 мДж, но к этому добавляется большая теплоемкость цоколя и скального основания, на котором построен дом. Таким образом, полная теплоемкость составит 63,3 мДж.

Эффективная площадь теплообменной поверхности составляет около 2800 м².

Никакой гидроизоляции не смонтировано выше или ниже камней. Нет никаких проблем с влажностью, так как дом установлен на скальном основании, а цоколь окружен кольцевым дренажом.

Замечу, что не строилось специального бункера для камней, а его функцию просто выполнил цоколь дома.

Следует помнить, что в качестве аккумулирующего материала для обеспечения необходимой порозности применять лучше всего гальку и обязательно мытую, т.к. в противном случае вентиляционный воздух явится источником пыли. Также следует помнить о том, что на всех входах и выходах в воздуховоды необходимо установить фильтры, менять которые надлежит регулярно, если Вы не хотите сделать вентиляционный воздух разносчиком инфекции.

Рис. 18. Вертикальный разрез, вид с запада, показаны элементы главной воздухораспределительной системы (аккумулирующий материал, находящийся в подпольном пространстве, не показан).

 

Там, где теплый воздух из верхней системы аккумулирования тепла входит в комнаты 1-го этажа (фактически общая комната-столовая), было смонтировано устройство для уменьшения скорости воздушного потока, входящего в комнаты. Если воздух движется со скоростью более 1,5 м/с, то люди, находящиеся на пути его движения будут испытывать сильный дискомфорт, но если он движется со скоростью менее 0,15 м/с, то они его просто не почувствуют и не будут испытывать никакого дискомфорта. Соответственно, проектировщик разработал (в пределах междуэтажного перекрытия) 2 параллельных канала с расстоянием между ними 0,9 м, и решетками размером 0,35 х 0,25 м на нижней стороне каждого из них. Размеры отверстий, закрытых решетками, настолько велики, что скорость истечения воздуха из канала составляет лишь 0,03...0,45 м/с в зависимости от скоростей вентиляторов. На расстоянии метра или более от потолка, скорость истечения воздуха настолько низка, что люди там не чувствуют никакого его движения.

Рис. 19. Вертикальный разрез, вид с севера, показаны 2 параллельных канала главной воздухораспределительной системы в междуэтажном перекрытии и вентиляционные решетки.

Примечание

Вполне возможно, что жильцы предпочтут более высокую температуру, поскольку теплота бесплатна. Таким образом, они могли бы устанавливать термостаты не на 21°С и 22°С, а на 24°С и 26°С.

Исключительная ситуация

Оба вентилятора работают тогда, когда температура в верхней системе аккумулирования тепла превышает установленный верхний предел (63°С). Ожидается, что такая ситуация может возникнуть исключительно редко, если вообще возникнет. Если она все же возникнет и комнаты станут слишком горячими, то жильцы смогут восстановить комфортную температуру, открыв окна и двери.

Обратный воздушный поток

Теплый воздух чердака, который попал напрямую в комнаты 1-го этажа, возвращается на чердак через лестничные клетки. Во-первых, он течет вверх через лестничную клетку, попадая на верхний уровень, где растекаясь повсюду, поддерживает комфортабельную температуру. Затем он течет вверх по лестничной клетке на чердак. Он поступает в южную область верхней системы аккумулирования тепла через щель в основании; соответственно этот воздух, который относительно прохладен, сталкивается вначале с самой низкой (самой прохладной) частью ряда наполненных водой барабанов и отбирает некоторое тепло из этой части, помогая поддерживать температурную стратификацию. Путь движения воздуха на чердак следующий: через холл и лестницу на 2-ой этаж, затем через бытовую комнату, спальню 1, дверь, на лестницу, ведущую на чердак. На рис. 21 я показал, что этот воздух, попадая на чердак, течет, разделяясь на 2 потока, по направлению к фронтонам дома и затем, через проемы в нижней части стены, отделяющей южную часть чердака от основной его части, попадает к нижним барабанам и, постепенно нагреваясь, движется к центру и несколько вверх. Отсюда следует, что в отличие от многих проектов, предусматривающих значительное количество воздуховодов и решеток в стенах и перекрытиях для нормального функционирования интегральной системы воздушного отопления и вентиляции, в проекте Саундерса используется движение потоков через дверные проемы, что значительно упрощает конструкцию и стоимость всей системы, но требует держать двери по возможности открытыми, хотя Н. Саундерс в одной из своих статей пишет, что достаточно наличия небольших отверстий в верхней и нижней части каждой двери.

Воздух, поступающий из бункера с камнями в кухню следует по тому же самому главному пути; он растекается по комнатам и движется вверх через лестничные клетки, снова поступая в верхнюю систему аккумулирования тепла.

Рис. 21. Вертикальное сечение, вид с северо-востока. Воздух возвращается на чердак через лестничные клетки.

Рис. 22. Фрагмент подпольного пространства, показан возможный альтернативный обратный путь подпольного воздуха (аккумулирующий материал, которым заполнено подпольное пространство, не показан).

Прихожая

Главный вход в дом выполнен через прихожую, расположенную в юго-западном углу гаража и примыкающую к общей комнате-столовой с восточной стороны.

Теплоизоляция стен

Обычные каркасные стены дома теплоизолированы (R=5,3) стекловолоконной изоляцией толщиной 14 см. Каркас стен имеет сечение 5 х 10 см. Цоколь теплоизолирован снаружи стирофомом толщиной 5 см.

Пароизоляция

Все наружные стены, а также потолок чердака и фронтоны закрыты пароизоляционным слоем полиэтилена толщиной 150 мкм. В наружных стенах пароизоляционный слой расположен вблизи внутренней стороны стены и закрыт только гипсовым листом.

Общая герметичность дома

Проведенные испытания показали, что герметичность дома достаточно высока. При обычных наружных температуре и силе ветра коэффициент воздухообмена составляет 0,25...0,5 ч.

Будет ли необходим воздушный теплообменник? Ответ будет зависеть от коэффициента инфильтрации на испытаниях, которые будут проведены весной 1983. Если теплообменник необходим, то его легко можно будет смонтировать на чердаке.

Электронагреватель

По требованию владельца для подстраховки электронагреватель мощностью 5кВт был смонтирован на чердаке во входе в канал, через который горячий воздух подается вниз к общей комнате-столовой. Если по каким-либо причинам мощности системы солнечного отопления окажется недостаточно, то этот нагреватель можно будет использовать для поддержания тепла в доме. Надеемся, что этот нагреватель не будет использован никогда.

Вентиляционные окна

В каждой оконечности чердака есть вентиляционное окно с эффективной площадью около 2 м². Зимой вентиляционные окна закрыты и теплоизолированы (R=7). Летом восточное вентиляционное окно будет открыто для выхода горячего воздуха из чердака. (См. главу об охлаждении летом).

Компьютерные расчеты

В процессе проектирования тепловой системы Cliff House и в процессе наладки и регулировки главных параметров Саундерс выполнил много компьютерных расчетов. Они подтвердил