Солнечный дом. Жизнь без ископаемого топлива

План строительства

Строительство этого дома преследовало цель объединить современную архитектуру и пассивное, а также активное использование солнечной энергии.  Дом был построен в 2002 году архитекторским бюро U15 E.Novello. Он состоит из двух одноэтажных частей здания, повернутых на юг на 196°. И двух двускатных крыш с углом наклона 22°. Отапливаемая жилая площадь первого этажа и подвала составляет 290 м².

Для пассивного использования солнечной энергии с южной стороны дома и частично на крышу были вставлены хорошо изолированные окна общей площадью 50 м².  Остальные стены состоят из дерева и покрыты теплоизоляцией толщиной 25см. Отопление и нагрев воды должны были осуществляться без использования ископаемого топлива, а благодаря использованию альтернативной энергосистемы.

Части дома

Тепловой насос мощностью 14 кВт с зондом фирмы Stiebel Eltron AG на глубине 180м.Солнечный комбинированный накопитель 9501 со встроенным спиральным бойлером 651 фирмы Feuron AG.

Коллекторы горячей воды 5x2 м² Solahart с PowerPak и панели Solarex SMX-64 поликристаллин 48 x 64 Ватт. Фотогальваническая энергетическая установка с двумя инверторами Fronius Sunrise.

Фотогальваническая энергетическая установка с инвертором Sunny Boy и панели Sunways SM215 монокристаллин 14 x 235 Ватт.

Производство тока и горячей воды

Общая площадь фотогальванической энергетической установки этого дома составляет 49м²   с максимальной мощностью 6.36 кВатт пик.

Производство солнечного тока фотогальваническими установками постоянно контролируется. В солнечные дни в мае и июне оно достигает максимального значения в 42.5 кВт/час.

В середине лета, когда температура достигает 30-градусного рубежа, эти показатели уменьшаются на 10%. А в туманные темные осенние дни производится лишь 2-4 кВт в день. И только когда панели покрывает снег, ток больше не производится.

В 2008 году было произведено 6670 кВт чистого солнечного тока, причем монокристаллическая установка произвела примерно на 17% больше тока, несмотря на то, что ее площадь на 13% меньше.

В холодные солнечные весенние дни монокристаллическая установка производит на 20% больше тока, чем поликристаллическая. На крыше установлен солнечный коллектор Solahart площадью 5 x 2м², который в период с мая по октябрь нагревает большую часть используемой горячей воды.

В солнечные летние дни вода очень быстро нагревается до температуры 80°C. Весной она нагревается до температуры 50-60° C. Зимой теплообразование конечно ниже и накопитель в солнечные ясные январские дни держит температуру примерно 35°C.

Нагрев воды при помощи солнечной энергии

Например, весной комбинированный солнечный накопитель утром показывает значения 30°/30°/50°, но под воздействием солнца к 16 часам эти значения меняются на 60°/60°/60°.

График показывает изменение температур внутри накопителя в течение сентября. Благодаря коллектору площадью 10 м² позволяют получить столько солнечной энергии, что температура в верхней части накопителя осенью никогда не опускается ниже 50°С. Летом она постоянно держится на от метке 75-80°С. В период с апреля по октябрь дополнительные источники нагрева воды не используются.

Энергетический баланс

Сравнение энергетического баланса.

Энергетические балансы строений сравниваются исходя из энергии необходимой для отопления на метр квадратный и на год.

В таблице 1 показана классификация построек и соответствие энергетическим потребностям. Цифры даны в киловатт часах или в литрах топлива. В эти цифры не входит расход энергии на нагрев горячей воды и расходы на электричество. В Швейцарии на один среднестатистический дом (160 квадратных метров) на это уходит 15-20 киловатт/час/метр квадратный/год. То есть, на нагрев воды и домашний электроприборы приходится 6000-8000 киловатт/час в год.

Таблица 1. сравнение домов разных типов

ПРИМЕРЫ

1. Старый дом

Дом, который был построен до 1990 года,   в нем не используется специальная изоляция и изолированные окна, использует на отопление 200 киловатт/час или 20 литров жидкого топлива на метр квадратный. Среднестатистический дом с отапливаемой площадью 160 квадратных метров использует соответственно: 160 * 200кВт/ч=36000кВт/ч или 3500л топлива в год. Плюс к этому 4000 кВт идет на электрический ток и 2500 кВт/ч на нагрев горячей воды.

2. Новостройка

Согласно немецкому законодательству дом, построенный в 2009 году площадью 160 квадратных метров, на отопление должен использовать максимально 45кВт/ч на метр квадратный на год, то есть, 160*45кВт/ч=7200кВт/ч или 800л топлива. Плюс к этому 4000 кВт идет на электрический ток и 2500 кВт/ч на нагрев горячей воды.

3. Солнечный дом

Тепловой насос с зондом использует на отопление и  на нагрев горячей воды 5535кВт/ч. При отапливаемой площади 290 квадратных метров  потребность в энергии составляет 18кВт/ч на метр квадратный в год. За год понадобилось 4240 кВт/ч на домашние электрические приборы, что соответствует 11.5кВт/ч в день. Фотогальванические установки производят 6670 кВт/ч  солнечного тока, а солнечные коллекторы могут получать 3000 кВт/ч на нагрев горячей воды при помощи энергии солнца.

Потребление энергии в солнечном доме

С момента сдачи дома в 2003 году проводились замеры потребления энергии для отопления тепловым насосом и на другие хозяйственные нужды. Также проводились замеры выработки солнечного электричества. Пиковые нагрузки приходились на зиму, в то время как летом тепловой насос почти не работал. В период с мая по сентябрь дом производил достаточно или даже больше энергии, чем требовалось. Фактически одно полугодие энергетический расход был равен нулю. В отличие от солнечного дома пассивный дом или дом с низким расходом энергии, использует последнюю даже летом.  Соответственно расход энергии на домашние электрические приборы составлял 15-20квт/ч на метр квадратный на год, а на нагрев горячей воды тоже 15-20.  перерасчет энергетического расхода: 9.2кВт/ч или 1л топлива.

Сравнение трех типов домов показывает, сколько каждому из них необходимо энергии. Расходы на энергию любого дома при использовании специальных строительных средств можно сократить на 50%. Расходы солнечного дома будут еще ниже благодаря использованию солнечной энергии, теплового насоса.

Дом, построенный до 1990 года, площадью 290 квадратных метров расходует 180 кВт/ч на метр квадратный на год, то есть, 290*180кВт/ч=52200 кВт/ч или 5670 л жидкого топлива. Тепловой насос на отопление и подогрев горячей воды использует 5101кВт/ч в год, что в десять раз ниже, чем в расход энергии в старом доме.

Солнечная энергия

Теория

Техника фотовольтаики восходит к 1839 году, когда физиком Беккерелем была открыта полупроводниковая техника. Между двумя кремниевыми полупроводниковыми пластинами под влиянием солнечных лучей возникло электрическое напряжение. В Швейцарии ежегодно можно получать 1100 кВт/ч на метр квадратный солнечного тока. 10-18% из них в зависимости от вида ячеек могут непосредственно преобразовывать солнечную энергию в ток.

Виды элементов солнечной батарей.

1.      аморфные ячейки.Полупроводниковые элементы из фольги, черного цвета, КПД10%, используются в часах и детских игрушках.2.      поликристаллические ячейки.

Полупроводниковые клетки, нарезанные в форме пластин, сплавленные из кремния, с голубоватым блеском, раскрашенные под мрамор, КПД 10-12%, используются в солнечных панелях.3.      монокристаллические ячейки.

Нарезанные пластинами полупроводниковые клетки кремния высокой чистоты, однородного темно-синего цвета, КПД 15-20%, самые дорогие, используются в солнечных панелях.

Основные правила

1.      один квадратный метр ячеек в зависимости от типа дает 100-200 кВт/ч в год

2.      1кВт пик смонтированной фотогальванической установки дает 1000-1200кВт/ч солнечного токаВ Швейцарии фотогальванические установки в зависимости от кантона частично оплачиваются государством. Начиная с 2009 года можно продавать излишки солнечного тока. Местные производитель тока, также используют энергию солнца.

Угол падения солнечных лучей является решающим в производстве солнечного тока, максимальные объем получается при угле 90 градусов. Угол наклона крыши этого дома составляет 22 градуса. В день летнего солнцестояния 21 июня угол равен 66 градусам. То есть, в этот день угол падения солнечных лучей равен 22+66=88 градусов. Поэтому больше всего солнечного тока производится в июне.

Монтаж фотогальванических панелей напрямую влияет на производство тока. Больше тока вырабатывают установленные на крыше вентилируемые охлаждающиеся панели в сравнении с встроенными в крышу теплыми панелями. Это физическая закономерность: теплые электрические проводники имеют большее сопротивление, что ведет к потере тока.