У цій У статті мова йтиме про використання сонячних  надходжень для опалення школи інтернату. Адже діти – наше майбутнє, і ми, дорослі, маємо вкладати в їхній розвиток максимум можливого. Але є очевидні можливості, які ігноруються.  Наприклад, наявність в загальноосвітніх школах столярних та слюсарних майстерень. За умови наявності кваліфікованих викладачів ці майстерні можуть стати осередками розвитку сонячної енергетики села чи міста. Адже є досить прості технології виготовлення сонячних водяних та повітряних колекторів, ефективних у наших кліматичних умовах.

Передбачувані заходи

За такого підходу вбачаються такі вигоди для освіти, суспільства та держави загалом.

1.    На будівлі школи можна встановити недорогі повітряні і/або водяні колектори, виготовлені самими школярами для заощадження газу чи твердого палива. Як відомо, заощаджені на опаленні кошти нині залишаються у розпорядженні шкіл.

2.    У школі доцільно створити виробничий  кооператив, учасники якого (вчителі та діти) зможуть працювати на замовлення, одночасно вдосконалюватимуть майстерність та отримуватимуть певні кошти.

3.     Учні консультуватимуть батьків щодо правильного виготовлення та встановлення «хатнього» колектора.

4.    У позашкільний час дорослі зможуть скористатися обладнанням майстерні та платними консультаціями членів кооперативу для власноручного виготовлення колектора. 

Зрозуміло, що із збільшенням кількості таких кооперативів зменшиться використання газу в селі, районі, місті, тим паче, що при збільшенні замовлень школа зможе оновити парк деревообробних та металообробних верстатів. До того ж такий кооператив зможе стартувати практично з нуля, оскільки в майстернях наявне основне обладнання, а  вартість комплектуючих не така вже й висока.

Загальна методика термореновації

         Нижче для прикладу описана загальна методика термореновації будівель Рава-Руської школи інтернату, де заплановано значну кількість колекторів виготовити руками школярів. Отриманий ними досвід буде неоціненним для школи, держави та їхніх родин. 

Містечко Рава Руська (Львівська область) розташоване в зоні українсько-польського прикордоння. Вісім будівель міської школи інтернату загальною площею 5500 м² колись належали польським, а потім українським прикордонникам, а в 60-х роках були передані дітям. Корпуси рознесені на  значну віддаль, що забезпечує добру освітлюваність їхніх південних, східних та західних стін. Окрім того, термомаса цегляних довоєнних будинків є значною, що дає змогу накопичувати багато тепла в їхніх стінах. Дахи шатрові, що дає можливість теплоізоляції підлоги та стін  горища.

Розглянемо можливості термореновації найбільшого двоповерхового корпусу цього інтернату площею 2000 м². Як відомо, площа південної стіни будівлі відіграє неабияку роль у засвоєнні сонячного тепла. На щастя, будинок проектував досвідчений архітектор, бо південна стіна (96 м) значно переважає по довжині східну та західну (відповідно, 10 і 10 м). Площа одного поверху становить 1000 м², а висота стін будинку -  10,6 м. Отже, площа південної стіни сягає  1017 м². Окремої уваги заслуговує шатровий дах, площа покрівлі південної частини якого становить не менше 500 м².

Принцип застосування теплоінерційної ізоляційної штукатурки полягає у використанні суміші костриці льону і вапна. Вона має добрі ізоляційні властивості та значну термомасу, яка визначається її питомою вагою (200-250 кг/м³). Така штукатурка товщиною до 15 смповільно (годинами) засвоює тепло довкілля, але так само повільно віддає його. Особливо ефективно теплоінерційна штукатурка працює у сонячні морозні дні завдяки швидшому прогріванню Сонцем її поверхні.

Використання таких штукатурок на основі вапна та костриці коноплі із-за їхньої екологічності та унікальних ізоляційних властивостей було започатковано в Європі на початку 21 ст. Тобто в залежності від пори доби (день, ніч) штукатурка може накопичувати чи втрачати тепло. Цей процес сповільнений у часі та співмірний з коливаннями добових температур. Таким чином, теплоінерційна штукатурка є своєрідним компенсатором, який підтримує оптимальну температуру в приміщенні як взимку, так і влітку. Процес засвоєння тепла будівлею у сонячну пору може бути суттєво пришвидшений  простими, але ефективними сонячними повітряними настінними колекторами, які встановлюють на теплоізоляційній штукатурці. Прозора поверхня колектора захищає від обдування вітром поверхні затемненої стіни та легко пропускає до неї сонячне проміння. Ефективність колектора сонячного дня становить 70%. 

Спробуємо оцінити рівень добових сонячних надходжень в кВт год на 1 м² південної  стіни будинку впродовж  опалювального сезону – від жовтня до квітня включно (табл. 1).

Отже, згідно даних НАСА на 1 м²  вертикальної поверхні у грудні в середньому на добу  падає всього 1,37 кВт год сонячної енергії. При площі 1017 м² у грудні стіна отримає 1,37 х 1017 = 1393,29 кВт год теплової енергії денно. Тобто теоретично щогодини один квадратний метр південної стіни будинку мав би отримати 1393,29 х 1000/(2000 х 24) х 0,7 = 20,32 Вт/м². Коефіцієнт 0,7 в останньому виразі вибраний з припущення, що 1017 м² стіни засвоять лише 70% сонячної енергії. Будемо також  виходити з другого припущення, що сонячні колектори реально можна використати лише на 70% площі стіни; тоді усереднені  теплові надходження зменшаться у  0,7 разу і становитимуть 1393,29 х 0,7х 0,7 = 682,71 кВт год. Для збільшення теплових сонячних надходжень вкрай бажано встановити під будинком рефлектори, які б відбивали сонячні промені на стінові колектори. При 30% ефективності рефлекторів дійсні сонячні надходження на  1 м² стінових повітряних колекторів  становитимуть 1393,29 х 0,7 /(2000 х 24) = 20, 32 Вт. Зрозуміло, що застосування дзеркальних поверхонь збільшить вартість термореновації. Але на перспективу використання таких рефлекторів вигідне, оскільки дасть змогу суттєво зменшити витрати палива в опалювальний період впродовж багатьох років. Якщо теплові витрати та сонячні надходження вирівнюються, то маємо температурний баланс будівлі. Але не все так просто, як здається. Бо є ще ціла низка інших чинників, які впливають на збільшення чи зменшення тепловтрат будинку. Для певності приймемо, що у грудні тепловтрати перевищують сонячні теплові надходження на 70%, а у січні на 50%.

Виходячи з цих припущень, задамося реальними тепловтратами добре утепленого будинку на 1 м² площі. При виконанні усього комплексу робіт з утеплення можна розрахувати та реалізувати їх на рівні 35 Вт/м²; у такому разі теплові сонячні надходження грудня приймемо рівними 12  Вт/м².  Будемо також вважати, що у січні, де кількість сонячних годин є значно більшою, а зовнішні температури приблизно дорівнюють грудневим, теплові надходження становитимуть 50% від тепловтрат. У лютому теплові надходження зростуть і становитимуть вже 70% від тепловтрат, а в  значно теплішому березні тепловтрати та надходження є приблизно рівними. Отже, у грудні для отримання комфортних умов проживання слід щогодини підтримувати подачу тепла до системи опалення на рівні (35 - 12) х 2000 = 46 кВт год, а в січні - 35 х 0,5 х 2000=  35 кВт год. У лютому усереднені щогодинні тепловтрати з врахуванням сонячних теплових надходжень становитимуть 35 х 0,3 х 2000 = 21 кВт год.

Теплові сонячні надходження на західні та східні стіни не є такі важливі, бо площа південної стіни перевищує їх у кілька разів. Але добре утеплення східної західної та північної стін є обов’язковим. До того ж сонячні надходження на східну та західну стіну можуть стати додатковим 10% резервом зменшення тепловтрат.

Вже у лютому на 1 м² вертикальної поверхні падатиме у півтора разу більше сонячної енергії ( 2,34 кВт год), ніж у січні. Це дасть змогу послідовно скорочувати витрати палива, адже кількість сонячних годин зростає та водночас зростає середня добова температура.

Нарешті, у березні морози слабшатимуть, а теплові сонячні надходження зростуть ще на 15 відсотків – до 2,73 кВт год/м ². На цей момент опалення будинку через нагріту воду можна  припинити, а гаряче колекторне повітря ще якийсь час нагріватиме будинок. 

Через літо починається зворотний процес.  Теплова маса будинку, яка набрала багато сонячного тепла влітку, якийсь час буде протидіяти негативним температурним змінам. Але у листопаді опалення буде просто необхідним, бо осінні сонячні надходження будуть вже недостатніми.

У грудні при тепловтратах стін 35 вт/м² та компенсації за рахунок Сонця 12 Вт/м²площі  загальні тепловтрати будинку становитимуть (35 – 12) х 2000= 46 кВт. Тоді котел повинен розвинути потужність 23 х 2000 = 46 кВт. Це і є його оптимальна потужність. Отже, базовими даними для проектантів є: тепловтрати огороджувальних конструкцій на рівні 35 Вт/м², чого можна досягти застосуванням стінової теплоінерційної  штукатурки відповідної товщини, ізоляцією вікон, підлоги першого поверху та горища. На випадок екстремальних морозів можна збільшити потужність котла до 55 кВт. 

Реалізація такого проекту дасть змогу зменшити тривалість опалювального сезону до чотирьох місяців замість шести та суттєво скоротити кількість спаленого вугілля та дров.

Ще однією дуже важливою характерною особливістю є наявність кухонного обладнання. Зазвичай у дитячих садках та школах кухонне

обладнання працює на електриці, яка на 90% перетворюється у тепло,

Запланований для термореновації  корпус площею 2000 м²

яке, своєю чергою, викидається назовні, у довкілля. Додатковим та суттєвим резервом є його повторне використання для опалення та нагрівання гарячої води.

Отже, невикористаними можливостями даних проектних пропозицій є:

трансформація сонячних надходжень на західну та східну стіни будинку у тепле повітря для опалення приміщень;

рекуперація кухонного тепла;

використання площі даху для отримання тепла від додаткових сонячних надходжень;

ці три додаткові чинники можуть гарантовано стабілізувати температурні режими опалення;

наступним кроком є відмова від спалювання вугілля і використання теплової помпи «повітря – вода» для опалення приміщень. 

Короткий перелік робіт

Утеплення стін будинку термоінерційною ізоляційною штукатуркою

Виготовлення недорогих сонячних колекторів

Ремонт дерев’яних перекриттів між горищем і кімнатами другого поверху, утеплення підлоги та стін горища.

Утеплення підлоги першого поверху.

Встановлення на південній стіні будинку спрощених сонячних колекторів для ефективної подачі тепла всередину приміщень.

Утеплення вікон внутрішніми віконницями.

Встановлення пристінної міні-котельні при корпусі або більш ефективної та екологічної теплової помпи.

Виготовлення та встановлення сонячних  колекторів на даху корпусу для нагрівання води та повітря.

Виготовлення рефлекторів для збільшення сонячних надходжень на стіни будівлі.

Осушення кухонного гарячого повітря та опалення ним приміщень корпусу.

Використання режиму почергового опалення вночі та у вихідні та святкові дні з метою подальшої економії енергоносіїв, оскільки вихолодити масивний цегляний будинок за два дні практично неможливо.

Навчання школярів інтернату з малозабезпечених родин теоретичним та прикладним основам енергозбереження з метою отримання ними сучасної спеціальності.

Юрій ДУДИКЕВИЧ, к.т.н.,

експерт з енергозбереження

jurijdudykevych@urk.net  097246 23 56