Альтернативные способы отопления частного дома. Альтернативное отопление в частном доме – как сделать? Альтернативное отопление в частном доме своими руками
Альтернативным отоплением называют обогрев дома с помощью, так называемых, альтернативных источников энергии, к которым в первую очередь относится внутренняя энергия планеты Земля. На определенной глубине, зависящей от географического положения местности, ее температура практически постоянна и положительна в любое время года.
Простой пример: в средней полосе России на расстоянии 170 см от поверхности земли температура составляет 8-10 градусов Цельсия. Такую же температуру имеют грунтовые воды, а реки и озера даже зимой под толщей льда имеют температуру 3-4 С.
В местности, расположенной на севере, «теплый» грунт может залегать глубже, а в южных районах, напротив, ближе к поверхности земли. Это значит, что даже в сильные морозы недра Земли имеют запас тепловой энергии, достаточный для обогрева жилища. Проблема лишь в том, чтобы правильно его использовать для альтернативного отопления домов.
Для этого необходимо решить непростую задачу: передать тепло от менее нагретого тела более нагретому телу: теплоносителю, используемому в системах отопления (напомним, что температура недр земли на приемлемой глубине составляет 8-10 С).
Простое решение сложной задачи отопления в частном доме
Сделать это удалось лишь в середине прошлого столетия, после изобретения и широкого распространения бытовых холодильников, устройство которых натолкнуло швейцарского «Кулибина» Роберта Вебера на идею направить выделяемую морозильной камерой тепловую энергию на хозяйственные нужды и использовать ее для нагрева горячей воды.
Именно так был изобретен современный тепловой насос, представляющий собой не что иное, как «обратный холодильник», образно говоря, «отбирающий холод у отапливаемого помещения и передающий его массе Земли».
Разумеется, правильнее, с точки зрения профессионалов, вести речь об использовании запаса тепловой энергии менее нагретого тела и передаче его более нагретому телу.
В примитивном виде этот процесс можно описать с помощью простой формулы :
- Q=CM(T2-T1), где
- Q-полученное тепло
- C-теплоемкость
- M- масса
- T1 T2 разность температур, на которую было произведено охлаждение тела
Это значит, что количество тепловой энергии, передаваемое при охлаждении того или иного тела, неважно, идет речь о нагретой русской печи массой несколько тонн или о радиаторе отопления, весящим пару десятков килограммов, прямо пропорционально теплоемкости материала, из которого оно изготовлено, его массе и разности температуры, на которую происходит охлаждение.
Нетрудно догадаться, что при охлаждении одного килограмма вещества на 50 градусов выделится такое же количество тепловой энергии, как и при охлаждении 50 кг этого же вещества на 1 градус.
Иными словами, при понижении температуры грунта массой в несколько сотен тонн всего лишь на долю градуса, можно получить количество тепла, вполне достаточное для отопления частного дома . При этом охлаждать можно не только грунт, но и воду в водоемах, а также воздух, масса которого также обладает колоссальным запасом тепловой энергии.
Тепловой насос как источник альтернативного отопления
Для альтернативного отопления частного дома достаточно купить и установить тепловой насос, устройство, специально предназначенное для использования низкотемпературной энергии для отопления и горячего водоснабжения и работающее по принципу современного кондиционера или холодильника. Кстати, внешне, тепловой насос напоминает обычный бытовой холодильник, да и по габаритам мало от него отличается.
Для того чтобы понять, как именно работает тепловой насос, достаточно вспомнить устройство и принцип действия холодильника, в котором тепло «отбирается» у продуктов и «выбрасывается» в окружающую среду. Именно поэтому рекомендуется при установке холодильного оборудования создавать вокруг него свободное пространство, обеспечивающее своевременный отвод тепла.
Если холодильник забирает тепло у продуктов и генерирует холод, то тепловой насос забирает его у массы земли, воды или воздуха и направляет полученную тепловую энергию для отопления дома. В нем, так же, как и в холодильнике, имеется испаритель, дроссель, компрессор и конденсатор. Основное различие в работе в этих устройств создается за счет настроек.
Принцип работы теплового насоса описывается с помощью цикла Карно. Рассмотреть его можно на примере системы отопления дома с помощью теплового насоса, перекачивающего низкотемпературную энергию массы земли.
Как работает тепловой насос
Хладагент, циркулирующий по замкнутому контуру, поступает в испаритель, где происходит его расширение, сопровождающееся увеличением объема и снижением уровня давления. При этом также происходит испарение хладагента и снижение его температуры. В ходе этого процесса хладагент активно забирает тепловую энергию от стенок испарителя, соединенных с теплообменником, по которому движется теплоноситель, называемый в системе тепловых насосов «рассолом». В это время в систему теплового насоса поступает тепловая энергия массы земли.
Затем хладагент поступает в компрессор, где происходит его сжатие, а затем выталкивание в конденсатор, в ходе которого происходит повышение температуры хладагента до 80-120 С.
При этом происходит передача тепла теплоносителю, циркулирующему по теплообменнику, соединенному с конденсатором. Охлажденный хладагент поступает в испаритель и процесс повторяется. Работает тепловой насос от электрической сети, но потребление электроэнергии и затраты на нее ничтожно малы по сравнению с получаемым эффектом, что особенно важно для альтернативного отопления частного дома.
Во время работы теплового насоса теплоноситель может нагреваться до температуры выше 100 градусов Цельсия, что вполне достаточно для отопления и горячего водоснабжения и позволяет создавать определенные запасы тепла, нагревая, к примеру, тепловой аккумулятор.
Для обеспечения комфортных условий и сокращения потребления электроэнергии тепловые насосы оснащают термостатами, с помощью которых поддерживается требуемая температура нагрева теплоносителя.
Виды тепловых насосов
Тепловые насосы классифицируют в зависимости от вида тепловой энергии, используемой для их работы. В этой связи различают:
- Геотермальные насосы , вертикальные и горизонтальные, использующие тепло подземных вод. При этом передача тепла идет по схеме «вода-вода»
- Водные , использующие тепло озер, рек и морей. При этом передача тепла также идет по схеме «вода-вода»
- Воздушные , использующие тепло воздушных масс. Передача тепла идет по схеме «воздух-вода»
- Грунтовые , использующие тепловую энергию грунта. Передача тепла идет по схеме «грунт-вода»
Достоинства и недостатки тепловых насосов
Альтернативное отопление на базе теплового насоса имеет ряд достоинств:
- Он безопасен для окружающей среды и человека. С ним можно быть уверенным, что дому не грозит пожар от неисправного оборудования, в помещение не поступят дымовые газы, а окружающая среда не пострадает от двуокиси углерода
- Тепловой насос позволяет получать дешевую тепловую энергию
- Он может менять режимы работы и летом использоваться для кондиционирования воздуха
- Он надежен и долговечен
Не случайно в развитых странах, например, Японии, именно использование тепловых насосов считается самым перспективным направлением в альтернативном отоплении домов.
Разработка проекта дома подразумевает решение вопроса о создании рациональной и эффективной системы отопления. Все большее число застройщиков склоняются к тому, чтобы использовать для обогрева своего жилища нетрадиционные способы.
Тепло и уют в доме – задача грамотного отопления
Реализация альтернативного отопления в частном доме – задача посильная, так как существует целый ряд современных технологий.
Высокотехнологичное оборудование дает возможность извлекать энергию из возобновляемых источников. Применение его обеспечивает, кроме тепла и уюта в доме, существенную экономию средств на приобретение энергоресурсов.
Альтернативными способами отопления принято считать, кроме использования возобновляемых источников, инновационные технологии с использованием электричества.
Что это такое альтернативное отопление?
Наверное, нет такого человека, который бы не слышал о существовании альтернативного отопления. Однако при классификации того или иного вида получения энергии нетрадиционным способом возникает некоторая путаница. Ошибочно считают, что применение и инфракрасного излучения, и биотоплива, и геотермальная энергия и ряд других – все это альтернативная энергетика. Поэтому при определении альтернативных методов получения энергии будет верно считать таковыми те, за которые потребитель не платит поставщику энергии и при этом затраты при ее получении находятся на приемлемом уровне.
Зачем это нужно?
Солнечные батареи
Основной причиной применение альтернативных систем отопления в частных домах является стремление достичь максимальной экономии средств и создание автономного энергоснабжения. Это связано с тенденцией постоянного роста цен на энергоносители и неизбежное истощение природных ресурсов.
Кроме этого, истинная любовь к окружающей среде, желание сберечь ее служат одним из побуждающих мотивов к переходу на альтернативные виды энергии. Так или иначе, процесс извлечение из земных недр полезных ископаемых и их переработка приводят к загрязнению Земли.
Варианты исполнения альтернативного отопления
Каждая из технологий альтернативного отопления, используемых для отопления частного дома, имеет свои особенности и специфику. При выборе его следует понимать поставленную задачу, которую должно решать оборудование, и конкретные условия его работы. Правильный подбор способа отопления позволит полностью отказаться от традиционной энергетики, и хозяин дома получит ожидаемый экономический эффект.
Гелиосистемы
Для отопления дома энергия солнца может быть использована следующими способами:
- Преобразованием в электрическую энергию, которая в дальнейшем необходима для работы нагревателей.
- Использовать непосредственно для осуществления нагрева теплоносителя, который естественным образом или при помощи насоса поступает в радиаторы или конвекторы.
Солнечная энергия для отопления
К простейшему методу альтернативного отопления относится создание, возможно, своими руками, отопительного коллектора, насоса и радиатора в частном доме.
Реализовать отопление за счет солнечной энергии можно следующим образом:
Энергия ветра
Конструкция и принцип действия
Ветрогенератор представляет собой конструкцию, смонтированную на штанге, которая оборудована лопастями, способными вращаться. Они подразделяются по расположению оси вращения на вертикальные и горизонтальные. По конструкции первые из них могут быть роторными или лопастными, вторые – крыльчатыми.
Ветрогенератор
В состав ветряка входят следующие элементы: турбина, которая приводится в движение при помощи лопастей или ротора, электрический генератор, аккумуляторная батарея, контроллер и инвертер.
Работа подобного устройства достаточно проста и заключается в следующем: потоки ветра приводят во вращение лопасти, которое передается генератору. При вращении генератор вырабатывает электроэнергию, которая накапливается в аккумуляторных батареях. При помощи преобразователя создается требуемое напряжение.
Энергия ветра для отопления
Генерация электроэнергии при помощи ветряков целесообразна в промышленных масштабах, так как оборудование имеет значительную стоимость. Для осуществления отопления дома вполне достаточно установить один ветрогенератор. Аккумуляторы соединяются с ТЭНами отопительной системы и ГВС.
Преимущества и недостатки
К преимуществам такого отопления относят такие факторы:
- восполняемость источника энергии;
- экологическая чистота получения энергии;
- относительно низкая стоимость электрической энергии;
- безопасность процесса генерации энергии;
- установка ветряков решает проблему получения энергии в труднодоступных местах.
Недостатками получения энергии при помощи ветрогенераторов являются:
- скорость окупаемости оборудования возрастает с увеличением числа устройств;
- для создания ветряных ферм требуется значительная площадь;
- реализовать процесс возможно в ветреной местности;
- значительная стоимость оборудования;
- шум при работе.
Тепловые насосы
Каждый из нас ежедневно пользуется агрегатом, работающим по принципу теплового насоса, но не все об этом знают. Речь идет о холодильнике, правда, функции у него иные. Нельзя не заметить тот факт, что помимо холода, происходит нагрев с тыльной стороны. При работе теплового насоса происходят аналогичные процессы, при этом тепло используется на отопление дома.
Тепловой насос
Современное отопительное оборудование, работа которого основана на принципе теплового насоса, позволяют производить отбор тепловой энергии из различных естественных источников. Почва или вода являются более эффективными источниками энергии по сравнению с воздухом.
Принцип действия теплового насоса
Жидкость с положительным значением температура (даже минимальным) проходит по испарителю, в котором происходит понижение ее температуры. Тепловая энергия, отобранная таким образом, передается в компрессор, производящий сжатие жидкости. При этом происходит увеличение ее температуры. Затем жидкость перемещается в теплообменник, где происходит снижение ее температуры, а полученная энергия передается контуру отопительной системы или ГВС. После этого остывшая жидкость движется в испаритель, и цикл повторяется.
Устройство отопительной системы с тепловым насосом
Отопление частного дома, организованное на основе технологии теплового насоса, состоит из следующих основных элементов:
- Зонд. Конструкция представляет собой разветвленную трубопроводную систему, которая является змеевиком больших размеров, помещенную в определенную среду: воду, грунт или воздух. Функция зонда заключается в отборе энергии из той или иной среды и передача на тепловой насос.
- Тепловой насос.
- Отопительная система. Основная деталь этого устройства – теплообменник. Эффективность всей системы в основном зависит от его работы, то есть от способности производить передачу тепла одной среды в другую.
Схема с тепловым насосом
Грунт-вода
Универсальность этого способа получения энергии заключается с точки зрения выбора региона для его реализации. Температура грунта, расположенного на глубине, в любом случае выше точки замерзания воды. Достижение требуемой разности температур может быть осуществлено в различных климатических зонах на различных глубинах.
Грунт-вода
Забор тепла происходит при погружении в скважину зонда-теплообменника. При этом следует понимать, что стоимость проведения бурения, установка насосного оборудования и его приобретение существенно увеличивают стоимость воплощения проекта отопления.
С целью снижения стоимости отопления дома по системе грунт-вода прибегают к укладке теплообменника в горизонтальной плоскости. Однако для этого требуется наличие значительных площадей. Укладка в этом случае ведется на глубине, превышающем уровень промерзания грунта.
Вода-вода
При наличии в местности, где расположен дом, грунтовых вод, залегающих на высоких горизонтах, стоимость реализации отопления дома тепловым насосом существенно снижается.
Энергия из воды
Энергию проще отбирать из проточной воды. При этом достаточно использовать один зонд-теплообменник.
Также не потребуется бурения скважины на существенную глубину, можно будет остановиться на 10-15 метрах.
Воздух-вода
Вентилятор
При работе системы воздух-вода, в качестве источника энергии выступает атмосферный воздух. В этом случае радиатор является теплообменником, у которого большая площадь ребер. Обдув его происходит при помощи тихоходного вентилятора.
Оборудование и его установка по стоимости существенно ниже, чем при использовании системы вода-вода. Понижение температуры воздуха приводит к снижению его эффективности, так как затрудняется отбор энергии.
Воздух-воздух
Самым дешевым альтернативным способом получения тепла является тепловой насос, работающий по принципу воздух-воздух. Сплит-система, работающая в режиме обогрева, служит примером тому.
В этом случае электроэнергия расходуется не на осуществление нагрева воздуха, а тратится на поддержание работы компрессора. Этим достигается экономический эффект, если сравнивать с работой традиционного устройства для нагрева воздуха.
Система “воздух-воздух”
Преимущества и недостатки использования тепловых насосов
Применение тепловых насосов для отопления дома имеет ряд преимуществ:
- возможность использования технологии в любом месте Земли;
- абсолютная экологичность получения энергии;
- универсальность способа заключается в возможности использования оборудования, при необходимости, в качестве кондиционера;
- достаточно высокая эффективность системы отопления при условии создания хорошей теплоизоляции помещений дома;
- высокая безопасность эксплуатации оборудования.
Основным недостатком тепловых насосов является высокая стоимость оборудования и его монтажа.
Традиционные источники тепла либо не всегда доступны, либо нежелательны по экологическим, экономическим или каким-то другим причинам. В этом случае стоит задуматься о других вариантах. Альтернативное отопление дома - это автономная система обогрева дома с применением новейших технологий.
К современным способам отопления относится получение тепла из геотермальных источников, за счет преобразования энергии Солнца и ветра, сжигания биомассы. Также к альтернативным вариантам относится инфракрасное отопление , когда применяться могут обычные виды топлива, но при этом используется новаторская система распространение тепла по помещению. Рассмотрим наиболее распространенные варианты независимого отопления дома.
Гелиосистемы
Устройства по преобразованию солнечной энергии в тепло и электричество называют гелиосистемами. Теплоноситель нагревается за счет работы циркуляционного насоса, поставляющего тепло в батареи или конвекторы.
Типы гелиоустройств:
- Солнечный коллектор. Такие альтернативные системы отопления обычно функционируют вкупе с электрическим нагревателем. Температура носителя тепла находится под мониторингом датчиков. При малосолнечной погоде температурный режим становится неприемлемым, и в этом случае подключаются электро-ТЭНы, обеспечивающие должный подогрев.
- Солнечная батарея. Данное оборудование имеет не только температурный датчик и инвертор для создания напряжения, но и аккумуляторную батарею высокой емкости. В течение дня батарея накапливает энергию, которая используется затем в ночное время или в пасмурные дни. Если площадь солнечных панелей и аккумуляторов соответствует размеру здания, их можно применять для создания полностью автономной системы. Однако у гелиосистем есть существенный недостаток - высокая стоимость, как при покупке оборудования, так и при замене аккумуляторов.
- Солнечная батарея, оснащенная инвертором и контроллером. Система подключается к электророзетке. Также нужно приобрести дисковый механический счетчик, так как электронный не сможет фиксировать обратное направление электричества. Если в течение дня система вырабатывает больше электроэнергии, чем необходимо, счетчик откручивает киловатты, что позволяет иметь существенную экономию.
В последние годы использование энергии ветра стало экономически обосновано благодаря широкому распространению ветряков и удешевлению технологии их производства. При попадании ветра на лопасти турбины, они начинают крутиться, в результате чего вырабатывается электроэнергия. Максимальный КПД ветровых турбин не может быть больше 59%. Зная площадь здания и КПД конкретного ветряка можно рассчитать мощность запланированного к покупке оборудования.
Особенности ветрогенераторов
Модели ветряков могут отличаться по таким параметрам:
- количество лопастей;
- местонахождение вращательной оси;
- материалы, из которых изготовлены детали;
- шаг винта.
Существуют ветряки с горизонтальной и вертикальной осями вращения. Оборудование, оснащенное горизонтальной осью, может иметь одну или набор лопастей. Подобное оборудование имеет наиболее высокий КПД. Другой тип ветряков имеет вертикальные оси, которые, в свою очередь, могут быть карусельными или ортогональными.
В устройствах с ортогональными осями лопасти находятся друг напротив друга и держатся на радиальных балках. Из-за аэродинамической конструкции этот тип ветряков технически сложен.
Оборудование с карусельными осями оснащены двумя лопастями, имеющими синусоидную форму. Такие ветряки имеют невысокий КПД (до 15%), однако если расположить лопасти вертикально, в несколько ярусов и с угловым смещением друг от друга лопастных пар, коэффициент полезного действия улучшится в два раза.
Достоинства и недостатки ветряков
Преимуществам ветроэнергетических установок:
- автономность от коммунальщиков и от поставщиков топлива;
- бесплатность электроэнергии (нужно лишь окупить расходы на установку);
- экологичность.
Главный недостаток ветряков - нестабильные поставки электричества, зависящие от погодных условий. В связи с эти систему нужно инсталлировать дополнительные устройства - стабилизаторы, аккумуляторы и т.п. Горизонтальные системы имеют хороший КПД, но для стабильного функционирования нуждаются в специальном контроллере ветрового потока, а также в защите от ураганов. Вертикальные устройства имеют маленький КПД, но при этом почти бесшумны, а также невелики по размерам и устойчивы.
Оборудование этого типа обеспечивает частный дом отоплением и горячей водой. Устройства функционируют, беря энергию из воздуха, воды или земли. Теплонасосы подключают к электрической сети. При этом они работают эффективнее, чем твердотопливные, масляные, электрические или газовые котлы. Каждый потраченный киловатт электричества дает 4 киловатта тепловой энергии.
Стоимость тепловых котлов высока, больше чем у традиционных котлов, но благодаря бесплатной естественной энергии такое оборудование окупается за 2-3 года. Производительность оборудования пропорциональна температуре альтернативного источника энергии: чем выше ее показатель, тем выше экономичность.
Принципы функционирования тепловых насосов:
- Теплоноситель передвигается по трубам, которые идут к источнику тепла. Там теплоноситель нагревается на несколько градусов, после чего двигается через теплонасос и теплообменник к внутреннему контуру.
- Во внутреннем контуре находится хладагент, имеющий невысокую температуру кипения. Это вещество направляется сквозь испаритель, где при низком давлении и температуре преобразуется в газообразное состояние.
- Газообразный хладагент, попадая в компрессор сжимается, а его температура увеличивается.
- Нагретый газ поступает в конденсатор. Там осуществляется тепловой обмен газа и теплоносителя. В результате хладагент отдает тепло, охлаждается, и вновь преобразуется в жидкое состояние, после чего в систему отопления попадает горячая жидкость.
- После попадания хладагента в редукционный клапан - понижается давление. Затем хладагент движется к испарителю и цикл повторяется.
Разновидности теплонасосов
Теплонасосы различаются по виду альтернативного источника отопления:
- Грунт-вода. Такие устройства оптимальны почти для любого климата. Теплообменники опускают в скважины, где грунт отдает системе тепло.
- Вода-вода. Эффективен такой способ получения энергии будет, если вблизи имеются грунтовые воды на малой глубине.
- Воздух-вода. В этом случае энергия получается из воздуха. Недостаток: при низкой воздуха температуре оборудование малоэффективно.
- Воздух-воздух. Это самый недорогой по стоимости установки вариант. Новейшие модели оснащены инверторами, которые нагреют помещение даже при внешней температуре -25 градусов.
Биотопливный котел
Оборудование на биотопливе работает на брикетах, пеллетах, щепе, а также на гранулах (древесных, торфяных, соломенных). Если применять брикеты, можно автоматизировать заправку котла топливом.
Недостаток биотопливных котлов - их высокая стоимость. Недешево будет обходиться и покупка брикетов.
Инфракрасное отопление
Подобный тип отопительных систем приобретает высокую популярность в последние годы. Хотя в качестве топлива применяются традиционные источники энергии, принцип нагрева помещений можно отнести к альтернативным. ИК-обогреватель имеет дефлектор, который создает пучок тепловых ИК-лучей, которые почти не взаимодействуют с окружающим воздухом. Эффективность отопления зависит от температуры нагревающего прибора и качества дефлектора.
Распространена и инфракрасная пленка, применяемая при установке «теплых полов». Ее кладут под напольное покрытие таким образом, что ее монтаж не требует сложного ремонта.
Альтернативное отопление частного дома может осуществляться и с помощью «теплых плинтусов». Устройства устанавливаются под плинтусы вдоль стен. Нагретые стены отдают тепло внутрь помещения, и не дают ему уходить вовне. Такой обогрев характеризуется равномерностью.
Выбор конкретного способа альтернативного отопления зависит от множества факторов: погодные условия, стоимость топлива, экономическая целесообразность и т.п. Такие устройства можно установить своими руками или же обратиться к специалисту. Однако следует помнить, что только правильная установка - гарантия надежной работы оборудования в течение многих лет.
К альтернативному отоплению дома относят все возможные варианты, которые не были использованы 20−30 лет назад. Сюда можно отнести геотермальные источники тепла, биотопливо, плёночные тёплые полы, инфракрасные обогреватели. В нашей статье мы рассмотрим минимально затратные источники отопления. Опишем некоторые источники отопления, за которые не нужно платить деньги коммунальным службам. Иногда из вспомогательных источников берётся некоторая часть тепловой энергии.
Причина использования альтернативного отопления понятна - это экономия средств. На сегодняшний день цены на энергоносители и электричество стремительно растут. Газ, твёрдое топливо, соляра становятся дороже. В современном мире альтернативное отопление просто необходимо, так как полезные ископаемые не безграничны, да и просто не разумно сжигать тонны дерева для обогрева небольшого помещения.
Гелиосистемы
Это устройство, предназначенное для препревращения энергии радиации Солнца в другие виды энергии. Например, для нагревания и охлаждения воды и воздуха. Для нагрева теплоносителя используют циркуляционный насос , который направляет тепло в радиаторы или конвекторы.
Варианты гелиосистем
Энергия ветра
Человечество уже много лет использует энергию ветра. и сейчас во многих странах служат человеку. Но сейчас энергию ветра в основном используют для получения электроэнергии. Такой вид энергии экологически чистый и безвредный для окружающей среды.
Ветер, попадая на лопасти турбины, вращает её и при этом вырабатывается энергия. Эффективность энергии (КПД) не превышает 59%. Ещё 1920 году учёный Бец получил это значение. С того времени это значение называется «предел Беца». Таким образом, если узнать КПД преобразования, можно определить необходимую мощность электростанции.
Отличительные особенности ветряных генераторов
Установки различаются в зависимости от технических характеристик ветродвигателя :
- число лопастей;
- расположение оси вращения;
- шаг винта;
- материал элементов.
Ветряные генераторы бывают с вертикальной и горизонтальной осью вращения.
Пропеллерная конструкция с горизонтальной осью может быть с одной или несколькими лопастями. Такие ветряные установки наиболее распространенные, так как у них самый большой КПД .
Конструкции с вертикальной осью подразделяют на ортогональные и карусельные (ротор Дарье и Савониуса).
- Ротор Дарье - ортогональная конструкция, у которой аэродинамические лопасти располагаются симметрично друг другу и крепятся они на радиальных балках. Данный вариант ветродвигателя довольно сложный за счёт аэродинамической конструкции лопастей.
- - конструкции ветродвигателя карусельного типа с двумя лопастями, которые образуют форму синусоиды. У таких конструкций коэффициент полезного действия не высок (не более 15%). Но если лопасти по направлению волны ставить не горизонтально, а в вертикальное положение и сделать конструкцию многоярусной с угловым смещением пар лопастей относительно друг друга, тогда можно увеличить КПД практически вдвое.
Преимущества и недостатки ветряных электростанций
Главное преимущество «ветряков» в том, что человек получает возможность воспроизводить практически бесплатную электроэнергию
, не учитывая небольших расходов на сооружение.
Для того, чтобы ветряная установка работала эффективно требуются постоянные ветровые потоки , а это зависит только от природы. Техническим недостатком является низкое качество электричества, поэтому систему необходимо дополнять вспомогательными модулями (зарядными устройствами, аккумуляторами, стабилизаторами и пр.).
У горизонтально-осевых установок достаточно высокий КПД, но для стабильной работы необходим контроллер направления ветрового потока и приспособления, которые защищают от ураганных ветров.
Вертикально-осевые установки имеют небольшой КПД, но они достаточно компактны и устойчивы во время сильных ветров. Работают без механизма, который позволяет следить за направлением ветра и практически бесшумны.
Тепловые насосы
Тепловые насосы обеспечивают обогрев дома, горячее водоснабжение, кондиционирование. Такая система работает благодаря заимствованию энергии от окружающей среды.
Бесплатно можно аккумулировать тепло из земли, воздуха и воды. Работая от электросети, тепловые насосы распределяют затраченную энергию ощутимо продуктивнее, чем электрические, твердотопливные или газовые котлы. При расходе 1 кВт электроэнергии, получаем 4 кВт тепла. Итак, из окружающей среды получаем бесплатно 3 кВт тепла. Такие системы стоят больше, чем газовые, твёрдотопливные или электрические котлы, но за счёт бесплатной природной энергии тепловой котёл окупается за пару лет
. Энергетическая производительность тепловых насосов напрямую зависит от температуры источника низкопотенциального тепла. Таким образом, чем она выше, тем значительнее экономия.
Ещё одним видом отопления, позволяющим серьёзно сэкономить, является воздушное:
Основы работы тепловых насосов
- Теплоноситель двигается по трубопроводу, который проложен, допустим, в землю, прогревается на 3−4 градуса. Потом он проходит через тепловой насос и теплообменник и передаёт тепло, которое накапливается в окружающей среде, во внутренний контур.
- Внутренний контур заполнен хладогеном. Это вещество обладает довольно низкой температурой кипения. Хладоген проходит через испаритель и переходит из жидкого состояния в газообразное. Это происходит в условиях низкого давления и температуры.
- В компрессоре происходит сжатие газообразного хладагента и повышение температуры
- Далее горячий газ проникает в конденсатор, где происходит теплообмен между газом и теплоносителем. В отопительную систему хладоген передаёт собственное тепло, охлаждается, и опять становится жидкостью. После этого в отопительные приборы попадает нагретая жидкость.
- Когда хладоген проходит через редукционный клапан - снижается давление. Далее хладоген переходит в испаритель, и происходит повторное движение цикла.
Виды тепловых насосов
Все тепловые насосы работают по такому же принципу, как и любой холодильник, но есть различия в их реализации. По типу применяемого теплоносителя тепловые насосы различаются таким образом:
Сделать тепловой насос в домашних условиях поможет следующий материал:
Принимая во внимание все особенности каждого вида альтернативного отопления, можно придти к выводу, что при правильных расчетах и умелом монтаже можно получить отличный вариант обогрева практически из воздуха, без расходования природных ресурсов.
Современный термин «альтернатива» позаимствован из латинского языка (alternatus – другой) для необходимости выбора из нескольких возможностей или обозначения каждой из этих рассматриваемых возможностей.
Источники энергии для отопления
Традиционный способ
Традиционные способы обогрева квартиры или частного дома требуют обустройства системы отопления, в состав которой входят:
- источник тепла, преобразующий энергию сжигания топлива или энергетику сетевого электричества в тепловую энергию;
- теплообменник для передачи тепловой энергии от энергоносителя к теплоносителю, для последующего распределения тепла по точкам теплопотребления;
- замкнутый трубопроводный контур, по которому естественным или принудительным способом побуждается движение теплоносителя;
- приборы отопления, распространяющие тепло от теплоносителя в окружающую обстановку помещения.
На рисунке ниже показана структура отопительной системы с котлом в качестве источника тепла и точками теплопотребления в виде радиаторов отопления и тёплых полов.
Структура традиционной отопительной системы частного дома
Недостатки
Для большинства видов отопительных систем источниками тепловой энергии являются котлы отопления. В них происходит сжигание газа, жидкого или твёрдого топлива в целях использования теплоты сгорания топлива для нагрева теплоносителя (так называемые газовые, жидкотопливные и твердотопливные котлы).
Другим вариантом нагрева теплоносителя в теплообменнике котла отопления является использование энергии сетевого электричества (электрические котлы отопления).
Каждый тип котла и соответствующего энергоносителя имеет определённые негативные особенности, отражающиеся на эффективности его применения:
- Котлы на газовом топливе широко распространены благодаря доступности газа.
Негативными факторами, сопровождающими применение газа для отопления, являются:
- организационная и техническая сложность подключения к газовой магистрали;
- угроза воспламенения или взрыва при нарушении правил эксплуатации газового отопительного оборудования или неправильном монтаже своими руками;
- рост цен на газовые ресурсы.
- Электрические котлы самые простые в установке своими руками и обслуживании. Наиболее существенными недостатками являются:
- энергозависимость оборудования – при отключении электроснабжения прекращается поступление тепла в систему отопления;
- высокие тарифы на электроэнергию.
- Жидкотопливные котлы как источники тепловой энергии достаточно сложны в эксплуатации. Из негатива отметим следующие факторы:
- высокая стоимость жидкого топлива, сложность его доставки и безопасного хранения;
- шум в работе;
- неприятные запахи при сжигании топлива.
Домашняя котельная с жидкотопливным котлом
- Твердотопливные котлы на угле, торфе, дровах или пеллетах импонируют дешевизной топливных ресурсов и энергонезависимостью в работе, но у них есть свои недостатки:
- топливо, загруженное своими руками в топку котла, быстро прогорает;
- отсутствие автоматизации процесса загрузки топлива;
- необходимость постоянного визуального контроля за работой котла.
У всех вышерассмотренных систем отопления имеются два общих недостатка:
- они работают на невосполнимых источниках тепловой энергии – топливо полностью сжигается без возможности какого-либо восстановления;
- эксплуатация оборудования, сжигающего природные ресурсы или использующего централизованно поставляемое электричество, сопровождается постоянной оплатой за объёмы затраченного энергоносителя и поставщикам услуг по его предоставлению.
На рисунке ниже показана доставка сжиженного газа для газового отопления дома.
Доставка сжиженного газа в частный дом
Нюансы, требующие внимания:
- Столь удобное и привычное отопление частного дома путём сжигания не возобновляемых органических ресурсов приводит к катастрофическому уменьшению природных запасов топлива за деньги из нашего же кармана! Естественно, что цены на органическое топливо будут постоянно повышаться.
- Сжигание топлива сопровождается выделениями углекислого газа и летучих токсичных продуктов горения, при этом происходит выпадение смол и сажи.
- Каждый потребитель органического топлива вынужден обустраивать дополнительные помещения:
- для хранения топлива;
- для его сжигания с выводом в атмосферу продуктов горения.
Концепция альтернативного отопления
При рассмотрении вариантов альтернативного отопления дома необходимо определиться с самой концепцией.
К альтернативным источникам тепла для частного дома относятся два принципиально разных видов оборудования:
- Устройства, работающие в дополнение к установленному своими руками электрическому или газовому котлу. По каким-то причинам котёл, работающий на газе или электричестве, не обеспечивает полноценно теплом систему отопления всей постройки.
Основная отопительная мощность обеспечивается котлом, а в период пиковых нагрузок или межсезонья его работу поддерживают альтернативные источники. В этом случае альтернативным отоплением будет являться, например, котёл на пеллетах, сделанный своими руками, или агрегат, сжигающий отработку, и даже инфракрасные обогреватели.
- Устройства, полностью заменяющие котёл на газе, электричестве или на другом традиционном энергоносителе. Их тепловой мощности достаточно, чтобы обеспечить альтернативное отопление дома.
Наиболее распространёнными альтернативными вариантами обогрева жилья без сжигания газа и другого органического топлива являются технологии, использующие энергию природных ресурсов – тепло из недр земли, гейзеры, солнечный свет и климатических процессов – ветер, океанский прилив.
Дом, оснащённый солнечными батареями
Современные способы отопления
Практическая реализация проектов по использованию энергии природных ресурсов и явлений как альтернативного источника тепла для обогрева жилища наиболее широко затрагивает:
- энергетику солнечного света (гелиотермические системы);
- энергетику ветра (ветроэнергетика);
- энергетику тёплых земных недр (геотермальные насосы).
Отмечают два варианта практического применения природной энергетики для нужд альтернативного отопления частного дома:
- трансформацию энергии природного явления в энергию электрическую, которая затем будет применена для автономного отопления, то есть отопление дома от собственного внутреннего источника электричества;
- непосредственный нагрев рабочего теплоносителя системы отопления.
Гелиотермическая система
При обустройстве отопительных гелиосистем своими руками используют оба варианта солнечного излучения:
- Преобразование энергии солнечного света в энергию электрическую, используя солнечные батареи.
Солнечными батареями принято называть группу полупроводниковых фотоэлектронных преобразователей, объединяемых в одном общем модуле для генерации электроэнергии. Несколько солнечных модулей создают цепь для обеспечения частного дома определённым количеством электроэнергии.
Мощность каждого солнечного модуля может составлять от 50 до 300 Вт. На рисунке ниже показан принцип использования солнечных батарей для альтернативного автономного отопления постройки.
Схема отопления дома с использованием солнечных батарей
Принцип работы гелиосистемы:
- из солнечного модуля преобразованный световой поток поступает в блок аккумуляторов;
- аккумуляторы вырабатывают постоянный ток, который направляется в инвертор;
- в инверторе постоянный ток преобразуется в переменный, который используется для разогрева ТЭНов в системе отопления.
Солнечные батареи способны только вырабатывать электроэнергию. Тепловую энергию они не создают, не преобразуют и не накапливают. Они одинаково эффективно работают в морозный день или при плюсовой температуре окружающего воздуха, поскольку им важна интенсивность падающего солнечного потока.
- Использование солнечных коллекторов для прямого нагрева воды.
В частном домостроении установка своими руками солнечных коллекторов для альтернативного отопления более популярна, чем монтаж солнечных батарей. Коллекторы преобразуют солнечные световые потоки непосредственно в тепловую энергию, минуя образование электричества.
Монтируемые своими руками коллекторы для отопления имеют самые разнообразные конструктивные исполнения, которые можно разделить на два типа:
- плоские коллекторы, состоящие из абсорберов – элементов, поглощающих солнечные лучи (в простейшем случае – металлические пластины или листы чёрного цвета), соединённых с системой трубопроводов;
- трубные коллекторы, собранные из стеклянных трубок, внутри которых вставлен абсорбер-поглотитель из стали.
На рисунке ниже, показан один из вариантов изготовления своими руками солнечного коллектора с размещёнными в абсорбере медными трубками для нагрева теплоносителя.
В трубки закачивается теплоноситель, обладающий минимальным порогом кристаллизации. В средней полосе России рекомендован к использованию 60-% водный раствор пропиленгликоля с температурой начала кристаллизации -39 0 Ц.
Солнечный коллектор из медных трубок
Оба вида коллекторных систем монтируются на наклонной части кровли дома. На рисунке ниже, показан принцип обогрева здания с использованием коллектора.
Нагретый в солнечном коллекторе теплоноситель (линия красного цвета) поступает в буферный бак, выполняющий функции аккумулятора тепла и автоматизированной системы поддержания температуры в контурах отопления и ГВС.
При недостатке поступающего тепла в пасмурные дни вода в буферном баке подогревается другим доступным источником тепла, например, водой от котла на газе, являющимся основным теплоисточником системы отопления.
Благодаря автоматике ведётся постоянный контроль температуры в системе отопления. В ночное время отсутствие поступления солнечного тепла компенсируется подключением ТЭНа для поддержания комфортного уровня температуры.
Принцип работы системы отопления от солнечного коллектора
Домашняя ветроэнергетика
Использование кинетической энергии воздушных потоков для нужд обогрева частного дома осуществляется в двух направлениях:
- Преобразование кинетической энергии ветра в электрическую путём вращения ротора специальных ветрогенераторов.
Полученная электроэнергия аккумулируется в аккумуляторных батареях и, по мере надобности, через инверторы (по аналогии с технологией обогрева от солнечных батарей) используется для подогрева воды в системе отопления. В безветренную погоду приборы отопления подключаются в общую электросеть.
- Преобразование энергии вращающего ротора ветряка в тепловую для непосредственного нагрева теплоносителя с использованием вихревых теплогенераторов ВТГ.
Доминирующим способом в частном домостроении является изготовление своими руками и монтаж устройств, состоящих из ветряка, генератора и аккумулятора для получения собственной электроэнергии. Конструкция подкупает своей простотой и возможностью самостоятельной сборки.
Различаются между собой ветряные генераторы по следующим показателям:
- расположение оси вращения – вертикальное или горизонтальное;
- количество пропеллерных лопастей;
- шаг винта.
На рисунке ниже показан дом, оснащённый ветрогенераторами с горизонтальной осью вращения.
Ветрогенераторы для энергообеспечения частного дома
Геотермальные (тепловые) насосы
Устройства, способные использовать геотермальную энергию земных недр, позволяют владельцам частных домов существенно сэкономить на газе или другом виде топлива при обогреве своего жилища. Тепловая энергия добывается непосредственно из земных глубин или со дна водоёма при помощи устройства, названного тепловым насосом.
Принцип функционирования теплового насоса аналогичен работе холодильной установки с использованием фреона:
- при прохождении жидкого фреона по трубкам на значительной глубине в водоёме или в пробурённой скважине, в которых даже зимой сохраняется плюсовая температура, фреон начинает испаряться, переходя в газообразное состояние;
- газообразная фаза фреона поднимается наверх и попадает в компрессор, который его сильно сжимает;
- при сжатии газа в ограниченном объёме происходит его нагрев до 80 градусов Ц;
- в теплообменнике фреон охлаждается;
- в дроссельной камере за счёт понижения температуры и давления фреон опять превращается в жидкость;
- цикл повторяется.
Тепловые насосы являются энергозависимыми агрегатами, однако, расход электроэнергии для работы устройства несоизмеримо ниже, чем потребовалось бы для непосредственного электрического нагрева теплоносителя.
Температура теплоносителя в системе отопления с геотермальными устройствами не превышает 50 градусов, что недостаточно для радиаторного отопления, но для «тёплых полов» – вполне достаточно.
Тепловые насосы конструктивно различаются по технологии нагрева фреона до перехода его в газообразное состояние. В зависимости от источника «низкоуровневого тепла» выделяют:
- водяные установки для получения тепла от наземных водоёмов или подземных грунтовых вод;
- земляные, «отбирающие» тепло из грунта;
- воздушные.
При классификации геотермальных аппаратов учитывают также вид теплоносителя в системе отопления – вода или воздух. Соответственно, устройства получают обозначения «грунт – вода», «грунт – воздух», «вода – вода» и т. п.
Видео про отопление
Как организовать экономичное отопление дома своими руками, рассказывается в видео ниже.
Логика перехода на альтернативное отопление заключается не только в экономии денежных средств на покупку газа или оплаты счетов за электричество.
Разумеется, цены на невозобновляемые энергоносители стремительно растут. Но как тут не вспомнить слова Д. Менделеева, сказавшего: «Сжигать нефть, всё равно, что топить печку ассигнациями»?
Неразумно сжигать тонны угля или десятки кубометров древесины ради обогрева скромного помещения и при этом наносить непоправимый урон чистоте окружающей экологии.
