Самый простой способ охладить дом — это, конечно-же кондиционер. Однако стоит он не дешево. Значительно дешевле использовать недорогую вентиляционную систему, которая в пер-эую очередь предотвращает перегрев воздуха в помещении и увеличение влажности. Вентиляционная система должна устанавливаться таким образом, чтобы удалить воздух с чердака. Почему именно С чердака? Потому что он источник всех проблем.
Все начинается рано утром, как только солнце начинает освещать крышу. Не знаю, известно вам или нет, но черепица на крыше довольно эффективно поглощает солнечное излучение. Покрыты битумом крыши особенно хорошо притягивают и сохраняют солнечное тепло.
Затем тепло от крыши передается воздуху, заполняющему чердак. В течение дня все больше и больше тепла поступает в воздушное пространство чердака. Теперь внутри чердака вступает в действие другой механизм, Хорошо известно, что теплый воздух под нимается вверх, а холодный опускается вниз. Так как воздух на чердаке не перемешивается, то в доме создается распределение температуры, показанное на рис. 1. Слоистое распределение температуры обусловливает накопление тепла. Мы имеем огромный резервуар тепла, которое необходимо использовать.
Во многих домах становится слишком жарко из-за проникновения тепла с чердака. При включении кондиционера вы пытаетесь удалить тепло из жилых помещений, чтобы сделать условия более комфортными. Однако в то же самое время чердак продолжает нагревать дом. Такое противоборство является дорогостоящим и не приводит к нужным результатам.
Единственный способ остановить этот приток тепла с чердака в жилое помещение — это теплоизолировать дом от чердака. Весьма эффективна теплоизоляция с помощью стекловаты. Слой стекловаты толщиной не более 15 см, устилающий потолок, заметно влияет на количество тепла, проникающего вниз.
Однако никакая изоляция не сможет полностью отгородить нижние помещения от проникновения тепла с чердака. Тепло будет проникать в жилые помещения благодаря теплопередаче и излучению.
Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим такой пример. Предположим, что чердак вашего дома имеет размеры 9Х 12 м (площадь 108 м2). Если температура на чердаке составляет в среднем 55 °С, а вы хотите, чтобы температура в жилом помещении не превышала 27 °С, то лучшее, на что можно рассчитывать — это на достижение теплопередачи, не превышающей 2000 Дж/ч. И это в случае совершенной системы изоляции. Для обычного дома с однослойной изоляцией потолка стекловатой проникновение тепла составляет около 4500 Дж/ч.
Опытным путем установлено, что для нейтрализации 9000 Дж тепла кондиционер должен прокачать 1 т воздуха. Таким образом, для устранения влияния нагрева чердака нам потребуется прокачать кондиционером лишние 0,5 т воздуха!
Механизмы охлаждения
Однако фактическое количество тепла, проникающего вниз, зависит от разницы температур на чердаке и в доме. Разница температур в 5 °С соответствует тысячам джоулей. Следовательно, чем холоднее на чердаке, тем меньше работает кондиционер.
Как можно охладить чердак? Необходимо просто проветривать его! Весьма редки случаи, когда температура наружного воздуха больше температуры воздуха на чердаке, где обычно жарко, как в печке; можно охладить чердак, заменив горячий, застоявшийся воздух в нем более холодным извне.
Это относительно просто осуществить, прорубив вентиляционное отверстие в крыше около ее гребня и установив в нем вытяжной вентилятор. Вентилятор нагнетает холодный воздух через выступающий карниз крыши и вытягивает из чердака нагретый, застоявшийся воздух через вентиляционное отверстие.
Смешивание горячего и холодного воздуха и устраняет перепады температур (рис. 2). Необходимо отметить, как она повлияла на температуру внутри чердака. Теперь температура распределяется более равномерно, а средняя температура понизилась.
Хочу заметить, что для проветривания чердака не потребуется очень большой вентилятор. Цель будет достигнута, если обмен воздуха на чердаке будет осуществляться примерно каждые 3 мин.
Основные элементы вентилятора
Размер вентилятора определяется размером чердака. Чердак стандартных размеров (9х 12 м2) имеет объем приблизительно 135 м3. Для обмена такого объема воздуха каждые 4 мин требуется вентилятор, который будет откачивать 34 м3/мин.
Если размер чердака меньше, потребуется вентилятор меньшей мощности. Соотношение здесь простое: объем чердака в м3 делится на желаемое время смены воздуха (в мин) и получается производительность вентилятора. Например 135 м3/4 мин~34 м3/мин. Вентилятор приводится в движение небольшим электродвигателем постоянного тока, характеристика которого обычно линейна: чем больше подводимая к нему мощность, тем быстрее он вращается.
Такая циркуляция воздуха внутри чердака обусловливает перетока. Изменение любой из этих величин вызовет изменение мощности. Например, мотор напряжением 12 В при силе тока ЗА может вращаться со скоростью 6000 об/мин. Если мы уменьшим подводимую к мотору электрическую энергию снижением напряжения до 6 В, то скорость вращения уменьшится в 2 раза и станет равной 3000 об/мин.
С другой стороны, если в том же моторе на 12 В при 3 А, вращающемся с той же скоростью 6000 об/мин, уменьшить ток в 2 раза, сохраняя напряжение на прежнем уровне (12 В при 1,5 А), получится тот же результат: скорость вращения мотора составит 3000 об/мин. Учитывая принцип работы фотоэлектрических преобразователей, понимание причины изменения скорости вращения мотора с изменением потребляемого тока особенно важно.
Объем воздуха, который будут перегонять лопасти вентилятора, прямо пропорционален скорости вращения. Это указывает на возможность регулирования потока воздуха простым изменением скорости вращения мотора.
Несомненно, что для электропитания вытяжного вентилятора можно использовать фотоэлектрические преобразователи. Такой выбор наиболее предпочтителен. Следует заметить при этом, что при подключении фотоэлектрического источника к электромотору вентилятора возникает интересная взаимосвязь.
Фотоэлектрические солнечные элементы обычно можно рассматривать как источники тока. При малой освещенности солнечная батарея генерирует небольшой ток, хотя напряжение остается нормальным. В результате вентилятор (если он вращается) вращается медленно и, следовательно, прокачивает лишь малый объем воздуха.
Это обстоятельство как раз и отвечает задаче проветривания чердака. Утром крыша практически не нагрета, и в это время дня в вентиляции нет необходимости или нужна лишь небольшая вентиляция.
Днем с увеличением солнечной радиации все большая мощность подается на мотор вентилятора от фотоэлектрических преобразователей, и скорость вращения вентилятора возрастает. С увеличением солнечной инсоляции в чердачное помещение поступает все большее количество тепла. Следует отметить, что увеличение скорости вращения вентилятора (обмена воздуха) наблюдается именно тогда, когда в этом есть необходимость.
Ближе к вечеру интенсивность солнечного излучения вновь уменьшается, крыша поглощает меньшее количество тепла и потребность в вентиляции уменьшается. Это согласуется с изменением выходной мощности фотоэлектрических преобразователей, которые вращают вентилятор с меньшей скоростью.
В результате нами разработана саморегулирующаяся система вентиляции чердака, которая поддерживает его температуру на относительно постоянном уровне. Обычно управление вентилятором в зависимости от нагрева чердака осуществляется механическим термовыключателем.
Для упомянутых целей были отобраны два имеющихся в продаже серийных вентилятора, разработанные специально для подобных применений. Расположим наши фотоэлектрические источники вблизи вентиляторов. Помните тем не менее, что можно использовать любую подходящую для вас комбинацию мотора и вентилятора.
Первый вентилятор — вытяжной вентилятор фирмы Solarex Corp. Адреса фирм, выпускающих оба вентилятора, можно найти в списке деталей. (Следует отметить, что при этом мы не пытались сравнивать один вентилятор с другим.)
Солнечная батарея
Упомянутый вентилятор вращается электродвигателем постоянного тока напряжением 12 В. Тем не менее для увеличения срока службы фирма Solarex рекомендует питать мотор напряжением 6 В. При подключении к фотоэлектрической батарее, развивающей 6 В при токе 1,2 А, вентилятор будет обеспечивать обмен воздуха со скоростью 10 м3/мин.
Не составит труда разработка батареи мощностью 7 Вт, удовлетворяющей упомянутым требованиям. Сначала необходимо представить себе требуемую максимальную силу тока. Как было упомянуто выше, она соответствует 1,2 А.
Общеизвестно, что круглый солнечный элемент диаметром 7,5 см выдает ток величиной 1,2 А. Фактически можно найти довольно дешевые некондиционные элементы 7,5 см, которые развивают «лишь» 1 А. Эти элементы подходят для упомянутых целей.
Для достижения мощности в 7 Вт при максимальной интенсивности солнечного излучения потребуется 12 элементов. Элементы можно спаять последовательно, расположив их в 3 ряда по 4 элемента в каждом. При изготовлении батарей следуют рекомендациям, йзложенным в гл. 1. Если для использования в конструкции выбраны некондиционные элементы на 1 А, то для компенсации их дефектности необходимо увеличить количество элементов в батарее на 2 и довести их число до 14.
Второй вентилятор, который мы рассмотрим, поставляется фирмой Wm. Lamb. Его диаметр составляет 35 см; он снабжен линейным электромотором с шарикоподшипниками. Запрессованные шарикоподшипники продлевают срок службы мотора. Питается мотор любым напряжением: 6—48 В. Для наших целей фирма-изготовитель рекомендует использовать напряжение 12В.
Солнечный генератор мощностью 30 Вт будет вращать вентилятор со скоростью, достаточной для обмена воздуха,— около 30 м3/мин, в то время как батарея мощностью 7 Вт обеспечит его энергией, достаточной для обмена воздуха со скоростью 14 м3/мин. На рис. 3 представлена зависимость скорости обмена воздуха от мощности фотоэлектрического преобразователя.
В соответствии с одним из вариантов установки вентиляционного устройства потребуется проделать отверстия в крыше. Поскольку любые работы на крыше сопряжены с риском возможных протечек воды, аккуратность — залог успешного выполнения работы.
Сначала ножовкой пропиливается круглое отверстие в крыше. Оба вентилятора поставляются закрепленными в металлических кожухах, и отверстие в крыше должно точно соответствовать диаметру кожуха. Необходимо убедиться, что место для отверстия выбрано между стропилами крыши!
Затем в отверстие устанавливается вентилятор. Теперь металлический отражатель помещается вокруг устройства, и обильно заливаются гудроном все возможные щели во избежание протечек. Для предотвращения попадания дождя через сделанное отверстие венти-1 лятор накрывается колпаком конусообразной или U-образной формы.
Если нет желания делать отверстие в крыше, имеется другой вариант. Вентилятор можно укрепить над одним из вентиляционных отверстий, расположенных под карнизом крыши. Наилучший способ для этого — укрепить вентилятор под углом 45 ° к настилу чердака. Рекомендуется изготовить каркас из пары рамок, имеющих соотношение сторон 2 : 1 (рис. 4), а затем прикрепить вентилятор к одной из них (рис. 5). После этого можно разместить каркас над вентиляционным отверстием. Убедитесь, что отверстие достаточно велико и весь обмениваемый воздух проходит через него, иначе Вентилятор будет работать не достаточно эффективно.
Панель солнечной батареи закрепляется на части крыши, обращенной на юг, и присоединяется к вентилятору. Лучше опустить провода до края крыши и провести их через вентиляционное отверстие в карнизе, чем сверлить для них в крыше специальное отверстие: меньше вероятности нарушить кровлю.
При подключении солнечной батареи к вентилятору обращается внимание на направление вращения электромотора. При одном направлении вращения воздух будет вытягиваться наружу, при другом — втягиваться в помещение. Если вентилятор не вращается в надлежащем направлении, необходимо поменять местами питающие провода.
Список деталей
Вентилятор диаметром 20 см поставляется фирмой Energy Sciences 832 Rockville Pike Rockville, MD 20852 Contact: Larry Miller
Вентилятор диаметром 30 см поставляется фирмой Wm. Lamb Co. 10615 Chandler Blvd. North Hollywood, CA 91601
Фотоэлектрическая батарея (см. текст)
Литература: Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами: Пер. с англ.— М.: Мир, 1988 год.