Примеры решения различных типов энергоактивных зданий в гелиокомплексах
В. В. Захаров
Для архитектурного облика и объемно-планировочного решения «солнечного дома» определяющими являются расположение и конструкция гелиотехнических устройств. По характеру размещения солнцеприемников эти здания можно разделить на несколько типов: с отдельно стоящими солнцеуловителями, размещенными вне дома или на покрытии; с плоским покрытием, используемым в качестве солнцеуловителя; с коллекторами, вмонтированными в скатные покрытия; с коллекторами, вмонтированными в стеновые ограждения. Если солнцеуловители конструктивно не входят в состав здания, то это приводит к дублированию конструкций и увеличению нагрузки на покрытие.
Солнцеуловители в виде плоских коллекторов можно вмонтировать в ограждение конструкций зданий. Эти коллекторы органически входят в состав конструкции здания и выполняют одновременно несущие, ограждающие и теплотехнические функции.
Существенным является определение оптимального угла наклона коллектора к горизонту. Максимальная потребность в теплоте для отопления ощущается зимой, когда солнце расположено низко над горизонтом. Если система рассчитана на охлаждение здания и горячее водоснабжение в жаркий период, то максимум потребляемой энергии падает на летние месяцы. В этом случае целесообразно принимать меньший угол наклона коллектора к горизонту, с тем чтобы солнечные лучи падали перпендикулярно его плоскости при высоком солнцестоянии.
В зимнее время вертикальные поверхности получают солнечной энергии больше, чем горизонтальные. Поэтому в домах с солнечным отоплением коллекторы чаще всего размещаются в стенах, которые могут быть наклонными.
Коллекторы можно располагать в ограждениях, образующих систему плоскостей с различными наклоном к горизонту и ориентацией по азимуту, что позволяет лучше приспособиться к суточным и сезонным перемещениям солнца. Имея различную ориентацию, коллекторы попеременно воспринимают солнечную энергию в течение светового дня.
Коллекторы или отражающие плоскости должны составлять определенный унифицированный модульный ряд, увязанный с основной конструктивной системой функционально-планировочных элементов, с шагом колонн и высотой этажей. Различные сочетания элементов наружных ограждений вписываются в сетку конструктивной системы комплекса, что объединяет разнообразные элементы в единое целое и согласует различные элементы фасада, примыкающие друг к другу, в соответствии с художественным замыслом автора.
В СССР разработано архитектурно-техническое решение стендово-лабораторного многоэтажного энергоактивного здания с целью повышения эффективности солнечного энергоснабжения и утилизации энергии (рис. 5.41 и 5.42). Многоэтажное энергоактивное здание включает несущие и ограждающие конструкции. Часть ограждающих конструкций снабжена коллектором солнечной энергии. Коллектор состоит из звеньев, которые, в свою очередь, состоят из плоских панелей или панельных блоков с гелиоприемниками и, если необходимо, с солнечной ловушкой из селективного остекления. Звенья коллектора состыкованы горизонтально или наклонно ориентированными торцами и образуют выпуклый по отношению к падающему солнечному лучу двугранный угол, а между аналогично ориентированными смежными торцами панелей, состыкованными друг с другом, образован вогнутый по ходу солнечного луча угол.
Верхнее звено коллектора отклонено от вертикали в сторону ствола центрального лестнично-лифтового блока. При этом звено коллектора имеет угол наклона к горизонту а, который может быть принят в диапазоне значений от (π/2— —
. Отклонение одного звена в сторону, противоположную отклонению другого звена, обеспечивает включение в систему энергособирающих ограждений наклонного покрытия малоэтажной части, примыкающей к высотному блоку здания.
Принятый диапазон углов обеспечивает оптимальную сезонную работу звеньев коллектора. Так, верхнее звено с его более крутым, чем нижнее, наклоном обеспечивает наиболее эффективное поступление и сбор солнечной энергии в зимние месяцы, а также высокие эксплуатационные качества панелей коллектора за счет пониженной их загрязняемости или самоудаления слоя снега.
Граничные значения углов наклона верхнего звена, указанные выше, однозначно определены наиболее эффективным значением площади экспонирования этого звена коллектора в расчетный период (зима или лето). Выход за границы указанного диапазона приведет к уменьшению эффективности энергоснабжения данного звена коллектора в течение всего светового дня как в расчетный период, так и в течение всего годового цикла.
Более пологие углы наклона нижнего звена обеспечивают в пределах допустимого диапазона значений угла более интенсивное и автоматически достигаемое сезонное повышение энергооблученности его в летний период, что обеспечивает улучшение условий приготовления горячей воды. Зимой при более низких лучах увеличивается доля отраженных от селективного остекления ловушки лучей, которые при этом не рассеиваются в атмосферу, а большей своей частью поступают затем к гелиоприемнику вертикального звена, увеличивая общую эффективность работы коллектора.
В вариантных решениях многоэтажного здания возможно выполнение гелиоприемника из фотоэлектрических преобразователей, дополненных каналами теплообменника. При этом каналы теплообменника замкнуты в режиме рециркуляции с потребителем или аккумулятором через систему регулируемых вентилей. В строительстве данного энергоактивного здания используются бетон, железобетон, строительные стали, алюминий, стекло, пластмассы и эффективная теплоизоляция.
Энергоактивная система здания работает следующим образом: в холодное время года низкие солнечные лучи падают под оптимальными углами на верхние и нижние звенья, ориентированные на южный азимутальный сектор коллектора. Вследствие большой суммарной площади последнего обеспечиваются повышенное улавливание, преобразование и утилизация солнечной энергии в системах отопления и горячего водоснабжения (или энергоснабжения здания). Нижнее звено в зимний период рассматривается в качестве резервного; за счет отражения значительной части лучей солнца, скользящих под малыми углами к его остеклению, происходит дополнительная подача потоков солнечной энергии к вертикальному звену.
В летнее время, когда энергетические потребности здания уменьшены, основное по площади вертикальное звено коллектора имеет меньшую энергетическую нагрузку вследствие неоптимальных для него углов падения более высоких солнечных лучей, чем улучшается общий энергобаланс здания. Основным рабочим звеном становится нижнее звено коллектора, которое в этот период имеет наиболее эффективную площадь экспонирования. Кроме того, к нему поступают дополнительные потоки солнечной энергии, отраженные от остекления вертикального звена коллектора.
Рис 5.37 Солнцезащита юго-западных и юговосточных фасадов с диагональными наклон ными экранами
Рис 5.38 Солнцезащита для всех ориентаций зданий с диагонально-ломаными экранами
Рис. 5.39. Солнцезащита круглого в плане здания
Рис. 5.40. Вариант солнцезащиты здания сложного профиля
Рис. 5.41. Южный фасад многоэтажного энергоактивного стендово-лабораторного здания
По данным предварительных технико-экономических расчетов предлагаемое решение обеспечивает повышение энергетической эффективности улавливания коллектором солнечной энергии в многоэтажных зданиях типа башен в 1,8—4,7 раза по сравнению с другими известными решениями, в которых коллектор располагали только на крыше здания.
В СССР разработано архитектурно-техническое решение экспериментального энергоактивного промышленного здания с гелиотеплицами. Это решение повышает эффективность и универсальность использования солнечной энергии при одновременном улучшении длительных эксплуатационных характеристик отражателя (рис. 5.43).
Энергоактивное здание содержит блок, объединяющий коллектор с солнечной ловушкой, и аккумулятор. Коллектор снабжен отражателем, состоящим из поворотных панелей, которые шарнирно прикреплены одним из торцов к вершине так, чтобы был возможен поворот в пределах угла между гранями коллектора. Коллектор выполнен ломаным в поперечном сечении с образованием вогнутого по ходу солнечных лучей двугранного угла. Одна из граней коллектора наклонна и расположена на наклонной грани аккумулятора, обращенной к солнцу. Другая грань коллектора горизонтальна.
Солнечная ловушка содержит не менее двух селективно прозрачных остекленных граней, образующих в поперечном сечении выпуклый по ходу солнечных лучей двугранный угол с вершиной, обращенной к солнцу. Число светопрозрачных граней солнечной ловушки может быть больше двух с преимущественным образованием между ними выпуклых углов. Призматическая конфигурация ловушки должна обеспечивать беспрепятственный поворот панелей отражателя вокруг шарнира в пределах полного угла от наклонной до горизонтальной граней коллектора. Коллектор содержит гелиоприемник с поглотителем солнечной энергии и теплообменником, чаще всего трубчатого типа, сообщенным по теплоносителю с аккумулятором и через каналы — с потребителем энергии в здании.
В строительстве энергоактивного здания используются бетон, железобетон, кирпич, дерево, алюминий, стекло, пластмассы, а также неорганические или полимерные утеплители и герметики. Гелиотехническая система здания работает следующим образом. При необходимости ускоренной подачи тепловой энергии потребителю в начале периода облучения солнечной радиацией, после ночи или ряда бессолнечных дней поворотные панели экрана устанавливают в вертикальное положение или под иным углом, обеспечивающим максимальную подачу дополнительной солнечной энергии к горизонтальным панелям коллектора, связанным по теплоносителю непосредственно через канал с потребителем в здании, минуя аккумулятор. В дальнейшем панели экрана переводят в горизонтальное положение и обеспечивают подачу дополнительной солнечной энергии на гелиоприемник наклонными панелями коллектора, непосредственно объединенными с аккумулятором, и в зависимости от потребностей здания в энергии подают теплоту к потребителю или накапливают энергию в аккумуляторе впрок.
Энергоактивное здание обеспечивает повышение эффективности и универсальности использования солнечной энергии за счет более гибкого регулирования и переключения подачи энергии непосредственно потребителю или в аккумулятор. Кроме того, в таком здании в течение длительного времени сохраняются высокие эксплуатационные качества отражателя, поскольку его высокочувствительный направленно отражающий слой, обычно выполняемый из полированного металла, например напыленного в вакууме слоя алюминия, защищен от загрязняющего и разрушающего воздействия внешних факторов.
По предварительным данным, это техническое решение повышает энергетическую экономичность здания на 16—23% по сравнению с подобными зданиями, в которых применялись нерегулируемые экраны, и вдвое уменьшает число профилактических мероприятий по обслуживанию и ремонту отражателей в системе коллектора солнечной энергии.
Рис. 5.42. Разрез многоэтажного энергоактивного здания
Рис. 5.44. Разрез гидроэлектростанции
Рис. 5.45. Планы ГЭС
Рис. 5.43. Гелиотеплица энергоактивного здания (общий вид и разрез)
