Оптимизация с-х энергетических установок - Пассивные системы отопления

Пассивные гелиосистемы используют только для отопления. Их кратко называют ПССО — пассивные системы солнечного отопления. В этих системах теплота поглощается и аккумулируется самими строительными элементами здания, а распределение ее в отапливаемом помещении происходит чаще всего естественным путем. Пассивная система отопления отличается простотой, и ее эффективность достаточно высока — она обеспечивает до 60 % отопительной нагрузки [32, 33].
Принцип пассивного использования солнечной энергии состоит в непосредственном нагревании ограждающих конструкций солнечной радиацией с последующей передачей теплоты в обогреваемое помещение.
Обзор литературы [3, 9, 34-37] позволяет выделить следующие типы пассивных систем солнечного отопления:

1. открытые (прямое облучение);
2. закрытые без циркуляции теплоносителя (система Моргана);
3. массивные системы: стена Тромба—Мишеля (с экраном и без экрана); закрытые системы с аэродинамическим затвором; стена Лефевра; с аккумулятором (в грунте или в объеме здания) и с воздушным теплоносителем; оранжерея.

В открытых системах солнечные лучи попадают в отапливаемое помещение через увеличенные оконные проемы и нагревают строительные конструкции. Последние становятся приемниками и аккумуляторами теплоты.
В закрытых системах поток солнечной радиации поглощается мощной ограждающей конструкцией, которая одновременно является аккумулятором теплоты.
Отрицательной особенностью открытых систем является неустойчивость теплового режима, сильная зависимость от солнечной инсоляции (рис. 2.5). Поэтому большее распространение получили закрытые системы солнечного отопления. Здание с пассивной системой без циркуляции теплоносителя было построено А.Е. Морганом в 1961 г. (рис. 2.6). В дневное время поток солнечной радиации нагревает массивную стену здания, а в ночное время эта теплота передается помещению.

Рис. 2.5. Схема открытой системы солнечного отопления

Рис. 2.6. Схема здания с закрытой системой без циркуляции теплоносителя
Как показал опыт эксплуатации здания, внутренний воздух в помещении нагревается неравномерно.
Более удачное решение представляет собой система Тромба—Мишеля. Такой «солнечный дом» имеет различные конструктивные решения (рис. 2.7, 2.8).
По аналогичному принципу построена система Лефевра (рис. 2.9). Верхняя часть наружной стены, ориентированной на юг, имеет двухслойное остекление. Наружная стена вместе с перекрытием являются аккумуляторами теплоты.
Схемы установок с аккумулированием теплоты показаны на рис. 2.10.
Теплоаккумулирующая стена может быть выполнена в виде контейнеров, заполненных водой. Накопленная контейнерами теплота солнечной радиации передается в помещение за счет конвекции (рис. 2.11, а).
Другой вариант такой системы отличается тем, что плоская крыша используется в качестве водяного аккумулятора и называется «Скайтер» (рис. 2.11, б).
Разновидностью системы с контейнерами, заполненными водой, является так называемый термодиод. Он состоит из двух контейнеров с водой, разделенных слоем изоляции и соединенных между собой вверху и внизу трубчатым канатом (рис. 2.12).
Вариант совмещения пассивной гелиосистемы с аккумулятором при свободной циркуляции воздушного теплоносителя показан на рис. 2.13.
Рис. 2.7. Схема здания с закрытой системой Тромба—Мишеля:
а — без экрана; б — с теплоприемным экраном;
1 — остекление; 2 — стена здания; 3 — циркуляционные каналы; 4 — теплоприемный экран

Рис. 2.8. Схема закрытой системы с аэродинамическим затвором:
1 — стена; 2, 5 — входной и выходной воздушные каналы; 3 — межстекольные пространства; 4 — стекло; 6 — теплоприемный экран; 7— тепловая изоляция; 8 — аэродинамический затвор

Рис. 2.9. Система Лефевра:
1 — остекление; 2 — теплонакопительная стена; 3 — теплоизоляция; 4 — теплоаккумулирующее покрытие

Рис. 2.10. Размещение аккумуляторов в закрытой системе: а — в грунте; б — в объеме здания;1 — теплоприемный экран; 2 — вентилятор; 3 — стена; 4, 5 — входной и выходной каналы


Рис. 2.11. Схемы пассивного солнечного отопления:
а — водоналивная стена; б— водоналивная крыша

Рис. 2.12. Пассивная система солнечного отопления типа термодиод

Рис. 2.13. Пассивная система солнечного отопления типа термосифон (аккумулятор с каменной наброской и воздушным теплоносителем)

Весьма перспективно в России внедрение так называемого «солнечного» жилого дома. Это позволит снизить энергопотребление на нужды фермерского домашнего хозяйства до 15 % настоящего уровня. В качестве примера рассмотрим потери теплоты, кВт.ч/год, жилого дома площадью 120 м² в сельской местности, расположенного на широте 55-60° [38]

Тепловой баланс, кВт-ч/год, дома площадью 120 м² в сельской местности, расположенной на широте 55-60°, таков:

При сооружении здания с ПССО следует учитывать ряд требований, предъявляемых к этим системам.
Необходимо уточнить ориентацию здания, его расположение на местности с учетом климатических условий данного региона и степень инсоляции всего здания, а также влияния здания на существующую застройку и влияние окружающей среды на здание. Если гелиоприемники расположены на южной и восточной стенах, то восточная стена, например, может полностью затеняться стоящим рядом зданием. В этом случае следует менять ориентацию «солнечного дома».
Весьма существенно проанализировать тепловой баланс здания с целью уменьшения до минимума потерь теплоты, в том числе неоправданных. К примеру, можно сократить площадь оконных проемов, уменьшить неплотности в оконных проемах и наружных ограждениях.
Эффективность и надежность пассивной системы в значительной степени определяются поглощающей способностью стены теплоприемника. Его, как правило, покрывают черной краской.
Если аккумуляторы сооружаются в грунте или в объеме здания, то необходимо: учитывать теплоемкость материала аккумулятора; выбрать наиболее рациональные режимы подачи и отбора теплоты; размещать аккумулятор так, чтобы исключить неоправданные потери теплоты. Следует принять во внимание, что размещение аккумулятора в грунте требует, как правило, механической вентиляции для транспортировки воздуха [14, 15]. Размещение аккумулятора в объеме здания дает больший эффект, так как теплота от аккумулятора направляется непосредственно в помещение. Однако такой аккумулятор довольно сложно вписать в объем здания [9].
Метод расчета пассивных систем солнечного отопления приведен в работах [9, 34, 39].