- Пассивные методы использования солнечной энергии .
С. В. Зоколей (Австралия)
- Основные сведения об использовании энергии в зданиях. Значимость проблемы солнечного отопления зданий может быть охарактеризована процентным отношением энергии, расходуемой при эксплуатации зданий, к общему энергопотреблению государства. Проиллюстрируем это на примере шести стран: Австралия—14; Канада — 31; Франция — 33,5; Западная Германия — 38; Великобритания — 32,5%.
Таблица 7.1. Потребление энергии в зданиях учреждений
.
Таблица 7.2. Потребление энергии жилыми помещениями
По виду использования это «вторичная» энергия. В большей части она поставляется в виде электроэнергии (в Австралии больше половины), а для выработки 1 кВт·ч электроэнергии требуется не менее 3 кВт-ч первичных энергоресурсов, например, в виде угля или нефти. Если учесть этот коэффициент, равный 3, применительно к электроэнергии, используемой в зданиях, то в результате получим следующую картину использования «первичной» энергии в зданиях по отношению к общему национальному энергопотреблению, %: Австралия — 23; Канада — 38; Франция — 38; Западная Германия — 41; Великобритания — 44; США — 39%.
Удельное использование этой энергии неодинаково для разных типов зданий и зависит от климатических условий района строительства. Это можно проследить на следующих примерах. В табл. 7.1 сравнивается использование энергии в многоэтажных зданиях учреждений в Лондоне и Аделаиде (Южная Австралия), а в табл. 7.2 представлены данные по использованию энергии в типичном доме на одну семью в тех же городах. Из этих таблиц ясно, что наибольшее количество энергии расходуется на регулирование температуры, т. е. на отопление, охлаждение и вентиляцию.
Потребности в энергии для отопления.
Потребности в энергии для отопления связаны с климатическим параметром — Кельвин-часами. Он определяется как температурный дефицит в интервалах, температура которых ниже определенного уровня. Этому соответствуют выделенные штриховкой площади (рис. 7.16), расположенные подлинней базовой температуры Тb=18°С, характеризующей оптимальный уровень, и очерченные кривой суточного хода температур. По оси абсцисс отложено время в часах, а по оси ординат разность температур в градусах Кельвина.
*S. V Szokolay, 1987
где 0,33 Вт· ч/(м3· К) — объемная плотность теплового потока воздуха; V — объем здания, м3; N — кратность воздухообмена в 1 ч, включая инфильтрацию и принудительную вентиляцию.
Таким образом, потребность в отоплении может быть представлена как произведение строительного q и климатического (К·ч) параметров:
(7.11)
Значение Н можно определить для любого отрезка времени (месяц, сезон, год), если для нее известно число Кельвин-часов.
Системы солнечного отопления.
Целью проектирования традиционных систем отопления является обеспечение полного энергозамещения тепловых потерь здания в расчетный период, т. е. при наиболее неблагоприятных сочетаниях климатических воздействий. При этом наружную температуру Т, принимают обычно не по абсолютному минимальному значению, а с 10 или 15%-ной обеспеченностью. Если температура внутреннего воздуха Т0 задана, то расчетный температурный перепад будет равен:
(7.12)
и общее количество теряемой теплоты
(7.13)
В системах солнечного отопления необходимо принимать во внимание их подразделение на активные и пассивные системы.
Любая система солнечного отопления имеет три основные функции: поглощение и превращение солнечной радиации в теплоту; аккумулирование теплоты, поскольку солнечная радиация непостоянна; распределение теплоты, т. е. подача тепловой энергии в зоны отопления в периоды, когда это необходимо, и в требуемом количестве.
В пассивных солнечных системах все три функции осуществляются спонтанно, путем протекания естественных процессов, без принудительного изменения энергетических потоков. В пассивных системах могут использоваться различные трансформируемые элементы: скользящие и сворачиваемые шторы, солнцезащитные, в том числе теплоизолированные, экраны, регулируемые клапаны, увлажнители воздуха и т. д. Однако если в системе используется насос или вентилятор для интенсификации циркулирования теплоты, то такая система называется смешанной.
В активных солнечных системах все три функции выполняются совершенно разными средствами, а тепловая энергия передается из зоны поглощения в аккумулятор или к потребителю через теплоноситель, например, в виде нагретой воды в трубах или воздуха в каналах с механическим побуждением (насосами, вентиляторами), для чего используется внешний источник энергии.
Чаще всего пассивной системой является само здание, а активная система состоит из технических средств, приданных зданию. Все три категории систем могут быть количественно охарактеризованы коэффициентом преобразования энергии
(7.14)
где Es — солнечная энергия, используемая в системе для получения целевого положительного эффекта; Ес — традиционная, например электрическая энергия, которую необходимо дополнительно подводить для работы насосов, вентиляторов, автоматики и т. д.
Значения Кр для различных систем распределяются следующим образом: пассивная система — Кр>50; смешанная — 50>Кр>20; активная — Кр<20.
Ни один вид гелиосистемы не сможет полностью удовлетворять потребности в отоплении во всех ситуациях, так как нецелесообразно создавать систему в расчете на самые неблагоприятные условия. Такая система была бы слишком
дорогой и не использовалась бы на полную мощность большую часть расчетного периода (отопительного сезона). Поэтому различные гелиосистемы обычно используют в сочетании с топливным дублером.
Часть теплоты, поставляемая гелиосистемой и отнесенная к общему энергопотреблению здания, может быть определена как солнечная составляющая
(7.15)
Балкомб (Научная лаборатория в Лос-Аламосе) предложил следующие соотношения для составляющих солнечного отопления (SHF) и аккумулирования (SSF):
SHF — солнечный вклад (нетто)/фактическая нагрузка на систему (нетто) = 1 — [дополнительное количество теплоты/фактическая нагрузка на систему (нетто)];
SSF — аккумулированная солнечная теплота/расчетная нагрузка системы отопления=1 — (дополнительное количество теплоты/дополнительное отопление в бессолнечную погоду).
Здесь «аккумулированная солнечная теплота» определяет долевое снижение отопительной нагрузки на систему традиционного типа (топливный дублер) за счет наличия солнечной части энергоснабжения; «расчетная нагрузка системы отопления» вычислена с использованием заданной расчетной температуры внутреннего воздуха, а «фактическая нагрузка на систему (нетто)» — представлена с учетом колебаний внутренней температуры.
Ниже будут рассмотрены пассивные солнечные системы. Сначала речь пой дет о малоэтажных зданиях преимущественно на одну семью, а потом те же принципы будут применены к многоэтажным зданиям.
Типы пассивных систем.
Сводная матрица пассивных систем энергоактивных зданий представлена на рис. 7.18. В первой колонке даны базовые системы, во второй — вариантные, а в третьей возможные комбинированные решения.
Системы с прямым солнечным обогревом. Наиболее существенной частью таких систем является правильно ориентированный гелиоприемник, например окно. В большинстве случаев (в северном полушарии) оно должно выходить на юг (в южном полушарии — на север). Обычное оконное стекло имеет высокое пропускание в спектре солнечной радиации, т. е. для длин волн от 400 до 3000 нм, но оно практически не пропускает инфракрасные лучи с длиной волны около 10 мкм, испускаемые предметами при нормальной комнатной температуре (рис. 7.19). Это хорошо известный «парниковый эффект», который положен в основу большинства систем солнечных коллекторов.
Внутри комнаты должны быть темные, хорошо поглощающие солнечный свет поверхности, обладающие высокой теплоемкостью для аккумулирования поглощенной теплоты. Наиболее часто такой поверхностью является пол, предпочтительно из бетонных плит, покрытый темным кафелем или бутовым кафельным покрытием для поглощения теплоты.
Рис. 7.20 иллюстрирует тепловой баланс в точке у поверхности пола: радиация нагревает поверхность; часть энергии тут же поступает в комнату путем излучения или конвекции. Некоторое количество теплоты за счет теплопроводности и теплоемкости поглощается массивной конструкцией, находящейся под поверхностью; ее температура повышается, и таким образом аккумулируется теплота. Создается градиент температуры, уменьшающийся книзу. После прекращения поступления солнечной энергии теплота отдается поверхностью, а температурный градиент имеет обратный знак до тех пор, пока не будет отдана вся накопленная теплота и температура не сравняется с температурой комнаты.
Рис. 7.16. Пятисуточный ход температуры. Штриховкой выделены области температурного дефицита Τ0<Τb.
Рис. 7.20. Тепловой баланс плит пола в системе с прямым облучением, демонстрирующий дневной и ночной температурные градиенты
Рис. 7.17. Статистическое распределение почасовых температур в месячном цикле. Область Θ соответствует значениям Т0≥Тb (Тb=18° С), а область Ф=1—Θ характеризуется температурами Т0≤Тb
Рис 7.21. Принципиальная схема системы «массивная стена» Тромба-Мишеля 1 — массивная стена; 2 — зачернение; 3 остекление
Рис. 7.19. Пропускание одинарного оконного стекла (пунктирная линия) в спектре солнечной радиации (6000° С) и теплового излучения (100° С)
Рис. 7.22. Тепловой баланс системы «массивная стена» без конвекции (а) и с конвекцией (б)
Рис. 7.18. Технические решения пассивных систем
Следует обратить внимание на то, что движение потока накопленной теплоты направлено вниз, а движение потока отдаваемой теплоты — вверх. Во время поступления солнечной теплоты самая теплая поверхность (абсорбирующая)
является также излучателем. Поэтому, пока продолжается поступление солнечной теплоты, помещение будет очень быстро нагреваться, накопится только небольшое количество теплоты и скорость последующей теплоотдачи будет быстро снижаться. Количество накопленной теплоты и продолжительность теплоотдачи можно увеличить путем повышения поглощательной способности поверхности пола, теплоемкости аккумулирующей конструкции и теплопроводности материала, из которого сделан аккумулирующий слой.
В некоторых вариантах пассивных систем на определенном расстоянии от окна устанавливают низкую перегородку (высотой не более 1 м), которая частично берет на себя роль гелиоприемника и теплового аккумулятора.
В других случаях для улавливания солнечной радиации используют верхний ряд окон. Теплота поглощается и накапливается противоположной стеной. Это удобно для обеспечения прямого поступления теплоты во второй ряд комнат, которые выходят на север (в южном полушарии — на юг). В смешанном варианте такой системы используется чердак как тепловой коллектор, из которого теплый воздух поступает вниз с помощью небольшого вентилятора через каналы, опущенные воздухораздаточным концом до уровня пола.
Система «массивная стена».
Эту систему часто называют по именам ее создателей стеной Тромба—Мишеля. Обычно это толстая стена (каменная, бетонная или кирпичная) с темной поглощающей поверхностью, защищенная снаружи одним или двумя слоями стекла. Около уровня пола и потолка расположены отверстия (продухи) для входа и выхода воздуха (рис. 7.21). Радиация поглощается поверхностью стены, она нагревается и, в свою очередь, нагревает воздух в прослойке между стеной и стеклом. Воздух расширяется, становится легче, и начинается термосифонная циркуляция, в результате которой теплый воздух попадает в комнату через верхние продухи и, нагревая комнату, сам охлаждается и через продух около уровня пола снова поступает к гелиоприемнику, после чего цикл повторяется.
В некоторых вариантах не используют отверстия, в этом случае система называется «неконвективная массивная стена». Продухи могут быть снабжены регулируемыми клапанами, так что стена может быть как конвективной, так и неконвективной. В других вариантах применяют дополнительные продухи наверху, выходящие наружу. Летом их открывают для снижения перегрева. Направленный вверх поток теплоты в прослойке между стеной и остеклением может улучшать вентиляцию смежных помещений.
На рис. 7.22 показан температурный баланс в точке поверхности стены. При конвективном теплоснабжении (рис. 7.22,а) нагретая поверхность передает часть теплоты движущемуся воздуху, в результате чего снижается температура самой поверхности. В этом случае происходит очень быстрый обогрев комнаты теплым воздухом, поступающим через верхние продухи. Небольшое количество теплоты проникает в толщу стены и аккумулируется. Постепенно, через 5—8 ч, нагревается внутренняя поверхность стены, благодаря чему комната отапливается и в ночное время, когда давно уже село солнце.
При использовании неконвективного способа отопления (рис. 7.22,б) температура поглощающей поверхности стены будет намного выше, так как конвективное движение воздуха практически отсутствует, вследствие чего поверхностью стены поглощается и накапливается большое количество теплоты. При этом обогрев помещений происходит более медленно: весь поток теплоты проходит через массу стены, и для отопления требуется время.
Следует подчеркнуть, что в отличие от системы с прямым обогревом в системе «массивная стена» движение потока теплоты в накопитель и теплоотдача из накопителя идут в одном направлении как один длительный процесс.
Поскольку при применении неконвективного варианта поглощающая поверхность достигает более высокой температуры, стоячий воздух в прослойке между стеной и стеклом тоже будет теплее. Следовательно, возрастет и потеря теплоты наружу через остекление. Общее количество поступившей теплоты в конвективном варианте будет выше, чем в неконвективном. Большее ее количество поступает в помещения непосредственно во время облучения солнечной радиацией. Если же требуется отопление после захода солнца, то лучше использовать неконвективный способ.
Летом возможно перегревание при использовании как системы прямого поступления, так и системы «массивная стена». Этого можно избежать, используя различные затеняющие устройства. Простейшим является матерчатый занавес, который поднимается, когда требуется отопление, и опускается, чтобы закрыть остекленную поверхность, когда обогрев не нужен.
Ночная изоляция.
Потери теплоты в здании с системой прямого солнечного обогрева через большие окна или с системой «массивная стена» через остекление могут быть довольно ощутимыми. Коэффициент теплопередачи U через однослойное остекление равен 5,6 Вт/(м2· К), при двойном остеклении он снижается до 3 Вт/(м2· К). Если температура воздуха в прослойке между стеной и стеклом +35оС, а температура снаружи —15°С, то количество теряемой в 1 ч теплоты составляет при однослойном остеклении 280 Вт/м2, а при двойном остеклении 150 Вт/м2. Однако двойное остекление снижает также коэффициент пропускания солнечной радиации, который равен 0,85 для однослойного и 0,72 для двойного остекления. Таким образом, если солнечная радиация, поступающая к ограждению, составляет 500 Вт/м2, то радиация, достигшая поглощающей поверхности гелиоприемника, при одинарном остеклении равна 425 Вт/м2, а при двойном — 360 Вт/м2.
Двойное остекление можно использовать только с учетом климатических условий. Оно необходимо в местностях с холодным климатом, но не обязательно в условиях мягкой зимы. В любом случае надо иметь в виду, что снижение солнечного поступления наблюдается только в дневное время, тогда как сокращение теплопотерь происходит постоянно.
Во время солнечной радиации нужно максимально использовать селективно прозрачную защиту в виде остекления, но после захода солнца, чтобы сократить потери теплоты, целесообразно применять для остекленной поверхности трансформируемую непрозрачную теплоизоляцию.
Предложены и продемонстрированы сотни разных решений [4]. Для системы прямого солнечного обогрева простейшим является использование тяжелых штор с плотно закрытым верхним торцом, чтобы перекрыть конвективный поток теплоты между шторой и стеклом. Очень эффективны наружные ставни, скользящие или на петлях. Они должны быть хорошо теплоизолированы (по крайней мере из полистирола толщиной 50 мм или его эквивалента) и быть непроницаемыми для воздуха. В одном остроумном решении использован вентилятор от пылесоса для заполнения пространства между двумя слоями стекла маленькими сферическими гранулами (диаметром около 5 мм) из полистирола. Утром их высасывают обратно и содержат в контейнере в течение дня. Система очень эффективна, но недолговечна.
В необычной системе, разработанной в Нью-Мексико (автор Стив Баер), применены большие складывающиеся ставни. Их внутренняя поверхность отделана алюминием, так что когда ставни закрывают стекло, повышается защитный эффект за счет дополнительного отражения излучения от стекла.
Системы с инсолируемым объемом.
Наиболее широко используемый вариант этой системы — оранжерея. Ее можно рассматривать как видоизмененный вариант системы «массивная стена», где обычное расстояние между стеклом и стеной, равное 100—120 мм, увеличено до 2 м. Это помещение можно использовать как оранжерею — для выращивания растений, но оно служит также и источником теплоты для комнаты, расположенной за ней, за счет либо конвекции, либо замедленной теплопередачи через стену. Действие этой системы очень похоже на действие системы «массивная стена».
Дневная температура в оранжерее может быть очень высокой, а ночью она падает практически до уровня температуры воздуха снаружи. Такие колебания температуры можно уменьшить, поместив в ней дополнительный аккумулятор теплоты, например несколько бочек с водой.
Необходимо, чтобы все проемы (вентиляционные продухи или двери) в стене, разделяющей оранжерею и смежные помещения, как следует закрывались. Если остаются щели, то оранжерея может терять теплоту в течение 24 ч, т. е. потеря теплоты может быть больше, чем дневное солнечное поступление. Можно снизить теплопотери оранжереи, используя в ночное время трансформируемые теплоизоляционные покрытия. Простейшим из них является подвижная штора с наружной стороны остекления, но существуют и другие виды покрытий, конструктивно близкие к тем, о которых упоминалось выше.
Оранжерея — не единственная форма системы с инсолируемым объемом. Это могут быть и остекленные крыльцо или веранда, или какой-то смешанный вариант. Можно установить небольшой вентилятор в стене, разместив его высоко над уровнем пола, что позволит нагнетать теплый воздух из оранжереи в комнаты. Ответный продух в стене у пола обеспечит циркуляцию и вытеснение холодного воздуха из комнаты в оранжерею.
В некоторых небольших зданиях учреждений в качестве инсолируемого пространства используют фойе. Фактически это может быть любое помещение, где возможны большие температурные колебания, чем в жилых помещениях.
Системы типа «водонаполненная стена».
Из всех наиболее распространенных материалов вода имеет самую высокую теплоемкость. Поэтому ее целесообразно использовать в качестве теплоаккумулирующей среды. Чтобы сохранить одинаковое количество теплоты, воды потребуется в 4 раза меньше, чем бетона. Теплопроводность воды равна 1,16, а бетона — 0,3 Вт·ч/(кг·К), таким образом, они находятся в соотношении 3,87:1. В пересчете на объем это соотношение меньше, так как плотность бетона больше: для воды 1,16 Вт·ч/ (кг·К) 1000 кг/м3=1160 Вт·ч/(м3·К); для бетона 0,3 Вт·ч/(кг·К)X 2700 кг/м3=810 Вт· ч/(м3· К), откуда их соотношение равно 1,43:1.
Более существенным различием является то, что в твердом теле, даже обладающем высокой теплопроводностью, при поступлении энергии только на одну его поверхность возникает высокий температурный градиент. При использовании воды такой градиент отсутствует, так как конвекция происходит по всему объему воды, и температура будет практически везде одинаковой. Если контейнер высокий и узкий, то может возникнуть «расслоение» температуры, т. е. более теплая вода займет верхнюю часть сосуда (верхний слой), а нижний слой будет холоднее. Однако между наружным и внутренним слоями воды на одном уровне практически не будет разницы в температуре. Если аккумулирующей субстанцией является вода, то можно использовать весь ее объем, и максимальная температура будет меньше, а минимальная — больше, чем в системе «массивная стена».
Вода в различных формах контейнеров часто используется в системах, сходных с описанной выше системой типа «массивная стена». В одном случае (рис 7.23) использовались 200-литровые бочки из-под бензина, установленные на прямоугольной стальной раме. В другом случае (рис. 7.24) были установлены рифленые стальные трубы диаметром 450 мм (обычно используемые для пропуска воды под автодорогами), образующие вертикальные цилиндры высотой 4,2 м. В обоих случаях между водными контейнерами были оставлены промежутки, пропускающие некоторое количество солнечного света и теплоты непосредственно в комнату. В проекте «Соларуолл» (Хобарт, Тасмания, Австралия) в одном из домов была установлена серия вертикальных контейнеров шестиугольной формы высотой 2,4 м и диаметром около 300 мм, выполненных из двух спрессованных стальных желобов в форме трапеции, покрытых пластиком.
Рис. 7.23. Система «водозаполненная стена». Дом Стива Баера в Коралле (Нью-Мехико)
Рис. 7.24. Система «водозаполненная стена». Охотничий домик в Дэвисе (Калифорния)
Термический диод.
Его можно рассматривать как вариант системы типа «водонаполненная стена». Он был изобретен в США около 10 лет назад, но почему-то не стал популярным, хотя по принципу своего устройства это весьма эффективная и удобная система.
Термический диод состоит из двух контейнеров с водой, разделенных слоем теплоизоляции и сообщенных друг с другом только одним трубчатым каналом вверху и одним внизу (рис. 7.25). Термодиод образует стеновую панель шириной 900 мм, высотой 2,4 м и общей толщиной около 400 мм. Наружная часть панели такая же тонкая, как гелиоприемник обычного плоского солнечного коллектора. Она может быть покрыта одинарным или двойным остеклением (как в системе «массивная стена»), но в теплых климатических условиях можно обойтись без остекления. Если в воду добавить антифриз, то остекление не обязательно и в условиях более холодного климата.
Вода в наружной панели, нагреваясь за счет солнечной радиации, поднимается вверх и проходит во внутренний контейнер через верхний сообщающий их канал. Внутренний контейнер имеет толщину примерно 250 мм. Более холодная вода будет выходить из него в гелиоприемный контейнер через нижний соединительный канал. Таким образом, здесь происходит термосифонная циркуляция.
В электронике диодом называют прибор, который обеспечивает движение электронов только в одном направлении. Наш прибор носит название «термический диод», так как он способствует перемещению теплового потока в одном направлении — снаружи внутрь. Если не регулировать это перемещение, то ночью может произойти обратное термосифонное перемещение, а теплота из воды может выйти наружу. Очень важной частью системы является сверхчувствительный необратимый клапан. Нельзя использовать обычные необратимые клапаны, так как разность давлений, образующаяся при нагревании воды во внешней панели, очень мала и недостаточна для открывания такого клапана. В таких случаях используют «гидравлический клапан», принцип действия которого показан на рис. 7.25.
В смешанном варианте системы типа «водонаполненная стена» также используются два контейнера, но они разделены: один из них может быть частью другой стены. Если другая стена внутренняя, то обе поверхности контейнера выходят в помещение. Циркуляция воды из «коллекторного» контейнера в «аккумулирующий/отдающий» контейнер может осуществляться с помощью небольшого насоса.
Системы типа «водоналивная крыша». В одноэтажных домах, особенно если они расположены в низинах, поверхностью, наиболее открытой для излучения (солнечной радиации и теплового излучения в атмосферу), является крыша. Поэтому логично использовать эту поверхность как для поступления солнечной теплоты, так и для отдачи избыточной теплоты в ночное небо. Было разработано несколько вариантов этой системы, но наиболее известна система, установленная в доме «Скайтерм», построенном в Атаскадеро (Калифорния) в 1973 г.
В этой системе стальной настил покрытия (рис. 7.26) образует потолок над помещениями здания. Наполненные водой баллоны из зачерненного пластика расположены поверх металлического настила. Они обеспечивают слой воды толщиной в среднем 220 мм (при общем объеме воды 24 м3 на площади крыши 105 м2). Для защиты баллонов с водой предусмотрены теплоизолированные трансформируемые экраны скользящего типа.
Система работает следующим образом. Зимой в дневное время щиты сдвинуты к торцу здания и, таким образом, солнце нагревает воду. С заходом солнца экраны возвращают в исходное положение, чтобы сохранить теплоту. Металлический потолок выполняет функцию теплового излучателя. Таким образом, теплота, накопленная в воде, обогревает помещения. Летом экраны в ночное время сдвинуты к торцу, и вода охлаждается за счет отдачи теплоты в ночное небо. В дневное время экраны закрыты. Металлический потолок обеспечивает радиационное и конвективное охлаждение помещений.
В одном из вариантов системы, который применим в условиях более возвышенной местности (с более прохладным климатом), где не нужно охлаждение, в качестве солнечного коллектора используется чердак. Один из скатов выполнен из стекла, одна поверхность чердака остеклена, а горизонтальная конструкция выполнена такой же, как в доме «Скайтерм», т.е. представляет собой металлический настил, покрытый баллонами с водой. На остекленной крыше для уменьшения теплопотерь можно использовать теплоизолированные ставни.
Разработаны и проверены некоторые другие смешанные варианты. Один из них очень похож на «термический диод», описанный выше, но он расположен горизонтально и использует небольшой насос для подачи нагретой воды вниз из верхней зоны поглощения солнечной энергии в контейнер с водой, расположенный на уровне потолка. В другом варианте используется плавающий в контейнере теплоизолированный экран (рис. 7.27). В нормальном состоянии экран всплывает вверх, но когда насос начинает работать, на верхнюю поверхность экрана, нагретую солнцем, подается тонкий слой воды, и щит немного опускается вниз. Верхний тонкий слой воды нагревается и затем перетекает под изоляцию. Сверху такой коллектор может быть защищен остеклением. В этом случае верх теплоизолированного экрана должен быть зачернен, но такой экран может быть и металлическим. Эту систему можно использовать для охлаждения и отопления.
Термосифонные системы.
Почти все системы, о которых говорилось выше, в какой-то мере основаны на термосифонной циркуляции потока (воздуха или воды), но есть системы, основанные только на такой циркуляции. Они широко применяются для нагревания воды в домашних условиях с использованием для этого панелей плоских солнечных коллекторов площадью 3—5 м2. Существенно важно то, что тепловой аккумулятор должен располагаться выше коллекторов. В благоприятных климатических условиях (на склонах, обращенных к экватору), возможность применения таких систем для отопления помещений возрастает.
Практика показывает, что площадь коллектора должна составлять 30— 50% площади пола отапливаемого помещения. Эта система больше, чем система приготовления горячей воды. Система основана на применении специально изготовленных панелей солнечного коллектора (с водяным или воздушным теплоносителем), так что она не является истинно «пассивной» системой, но так как в ней не используются ни насосы, ни вентиляторы, ни дополнительные источники энергии, ее все же можно считать пассивной системой.
На рис. 7.18 также показаны система для нагревания воздуха с аккумулятором из каменной наброски и система, совмещенная с системой нагревания воды, включающей расположенный под полом бак-аккумулятор горячей воды. Это может быть и смешанной системой, по крайней мере, для цикла распределения теплоты: маленький насос гонит нагретую воду по трубам, вмонтированным в полу, согревая его. Преимущество такой системы состоит в том, что используется довольно низкая температура (около 30°С). Это существенно повышает эффективность использования солнечных коллекторов.
Регулирование систем потребителем.
Многие пассивные системы должны регулироваться самим потребителем: в определенное время нужно открыть или закрыть вентиляционные клапаны в системе «массивная стена», закрыть или открыть теплоизолированные ставни, включить или выключить насосы и вентиляторы или просто закрыть затеняющее устройство. При неправильной регулировке системы она не будет должным образом выполнять свои функции. Важна даже такая деталь, как правильная установка термостата топливного дублера. Установлено, что переключение термостата с 20 на 23°С увеличивает дополнительный расход энергии на 54%.
Практика показывает, что пассивные системы функционируют лучше в домах, спроектированных и построенных самими владельцами. Такие люди не только разбираются в работе системы, зная, когда и что сделать, но и заинтересованы в том, чтобы она хорошо работала.
В качестве примера можно привести системы прямого поступления, где температура внутри помещения утром после начала облучения солнцем превышает уровень комфортности. Компетентный человек примет это как должное, понимая, что через несколько часов температура станет нормальной. Неискушенный человек откроет окна для охлаждения перегретого помещения, но в результате этого вечерняя температура будет ниже уровня комфортности и придется включить дополнительное отопление.
Если обитатель дома не является проектировщиком, то следует снабдить его инструкцией по пользованию системой. Такие инструкции прилагаются к любому предмету, который мы покупаем, от холодильника до автомобиля, так почему бы не выпускать их и для домов?
Конечно, можно автоматизировать все приспособления, чтобы не полагаться на человека. Можно механизировать и электрически регулировать не только насосы и вентиляторы, но и увлажнители, ночные ставни, скользящие шторы и другие трансформирующиеся приспособления. Тогда в совокупности система регулирования будет сложнее, чем в обычных вариантах отопительных и вентиляционных систем. Обычные термостаты для этого не подойдут. В некоторых случаях можно использовать другие термостаты, в которых к активатору присоединены два датчика, обеспечивающие возможность реагирования на разность температур, а не на установленную температуру. Но можно использовать и микропроцессоры, тем более, что в настоящее время они достаточно дешевы и доступны. В этом случае регулирование может быть запрограммировано, и его легко менять. Датчики здесь не присоединяются к активаторам, а требуемые параметры закладываются в электронную память. Компьютер может «принимать решения» с учетом предшествовавших условий и в ожидании последующих.
Однако такая усовершенствованная система регулирования может не понравиться людям, которые хотят иметь у себя в доме пассивную солнечную систему Представление о пассивной системе (и ее привлекательность для определенного типа людей) связано с ее простотой, низким уровнем технологии и близостью к природе. Люди хотят непосредственно участвовать в жизни системы. Они могут почувствовать отчуждение при применении автоматизированного и компьютеризованного регулирования, так как в этом случае они станут лишь пассивными потребителями, а не участниками.
Автоматизированный контроль может привести к тому, что потребитель станет менее терпимым к не совсем адекватным температурным условиям и начнет больше использовать вспомогательную систему, расходуя таким образом больше энергии. При применении автоматизированной системы регулирования потребитель будет ждать от пассивной системы таких же результатов, что и от обычных отопительной и вентиляционной систем. В этом случае роль пассивной системы сведется к незначительной экономии энергии, а ее возможности не будут использованы.
Методы прогнозирования.
Обычно архитекторы и строители работают методом «прогрессивного улучшения»: мы смотрим, что было сделано до нас, что делают наши коллеги, и стараемся сделать немного лучше. Это надежный и удобный метод, но он исключает новшества, революционные преобразования. Более того, современная технология предлагает такой широкий выбор возможностей, что далеко не все из них могут быть использованы в одном конкретном здании.
Рис. 7.25. Принципиальная схема конструкции стены системы «термодиод» 1 — солнечная радиация, 2 — внешняя панель солнечного коллектора; 3 — перепускной нефтяной клапан одностороннего действия, 4 — теплоаккумулирующая панель; 5 — излучение в помещение
Рис. 7 26 Здание с коллектором системы «Скайтерм» Г Гея а — зимний солнечный день или летняя ночь, б зимняя ночь или летний день, / водоза полненные пластиковые пакеты. 2 — сдвигаемые теплоизолированные экраны
Рис. 7.27. Система «крыша с водяным аккумулятором» с плавающей изоляцией а — без циркуляции теплоносителя; б — с принудительной циркуляцией
Рис. 7.29. Электрическая модель тепловой схемы здания. Программа СОУП (автор Ямагучи) 1 — остекление, 2 — вентиляция, 3 — источник теплоты, 4 — воздух в помещении, 5 — солнце; 6 — крыша, 7— восточная стена, 8 — южная стена; 9 — западная стена, 10 — пол; 11 — земля; 12 — массивная конструкция пола; 13 — окно, 14 — делитель; 15 — северная стена, 16 — массивная стена, 17 — внешняя среда
Рис. 7.28. Терморезисторная модель теплового баланса здания Британской строительной исследовательской станции
Проверить неопробованные методы на реальных зданиях дорого и может оказаться рискованным. Во времена готики строитель, работающий на своего феодала, мог себе позволить экспериментировать над падающим контрфорсом 2 или 3 раза. За неудачей следовала новая попытка, и так до тех пор, пока не получалось. Сегодняшний темп жизни не позволяет проводить такие эксперименты. Нам нужны методы прогнозирования, которые помогут предсказать еще на уровне проектирования, как будет действовать система, когда она будет построена.
Такие методы прогнозирования основаны на научном понимании процессов, в данном случае тепловых процессов в пассивных системах, и на создании моделей, представляющих собой систему, наблюдение за которой поможет определить функционирование реальной моделируемой системы в разнообразных условиях.
Методы моделирования.
Рассмотрим три основных типа моделей: физические модели, электрические аналогии и математические модели.
Физические модели. Для экспериментальных целей используют масштабно уменьшенные модели объектов. Так, масштабно уменьшенные модели самолетов испытывают в аэродинамических трубах, при исследованиях конструкций мостов и высотных зданий часто используют физические модели, корпуса кораблей испытываются на гидравлических моделях. Основное требование ко всем этим моделям — автомодельность, т.е. запрограммированное сходство с оригиналом.
При теплотехническом моделировании одного такого сходства бывает недостаточно. Можно смоделировать теплопроводность и вычислить в масштабе теплоемкость, но соединение их в физической модели представляет собой серьезную проблему. Конвекцию (особенно естественную) нельзя смоделировать адекватно. Основные трудности связаны с масштабным переводом различных параметров.
Для проверки пассивных систем широко использовались экспериментальные здания уменьшенных размеров. Но они не являются моделями больших зданий — они всего лишь малые дома. Цель их использования — понять взаимодействие сложных процессов в тепловом потоке. Теплотехнические характеристики (такие как теплопроводность, теплопередача и теплоемкость) элементов здания можно проверить в лаборатории на небольших образцах площадью 1—2 м2. В экспериментальных павильонах изучается взаимодействие многих одновременно проявляемых процессов.
Результаты, полученные в процессе экспериментов над уменьшенными зданиями, нельзя прямо переносить на большие здания. Их основное назначение — проверить правильность математических моделей. Если математическая модель дает положительный результат при проверке на малом объекте, то путем экстраполирования эту модель можно распространить на более сложное здание.
Электрические аналогии. Для моделирования тепловых систем вот уже 40 лет используются схемы, построенные на резисторно-емкостных аналогиях (рис. 7.28). Электрическое сопротивление аналогично термическому. Для моделирования теплоемкости элементов здания можно использовать конденсаторы. Напряжение (потенциал) аналогично температуре. Разность потенциалов движет ток как же, как разность температур движет поток теплоты.
В различных исследовательских учреждениях занимались моделированием систем, начиная с самых простых и постепенно усложняя их. При этом получено много интересных данных, но оказалось, что электрические аналогии не подходят для ежедневной практики архитектурного проектирования. При каждой смене какого-либо проектируемого элемента нужно менять всю схему, поэтому весьма сложно проверить большое число проектных решений.
Электрические аналогии были постепенно вытеснены математическим моделированием на ЭЦВМ.
Математические модели. Цифровые компьютеры обеспечивают быстрое решение очень сложных задач. Электрические аналогии действуют только на концептуальном уровне. Можно описать теплотехническую систему здания в форме электрической схемы (рис. 7.29) и затем в виде системы уравнений, получив математическую модель системы. Эту модель можно решить путем вычислений с помощью ЭЦВМ при любом количестве заложенных в нее переменных. Методы решения и сами уравнения аналогичны используемым в электротехнике.
Программы моделирования.
При наличии математической модели можно составить ее программу для компьютера. Программа обеспечивает возможность варьирования параметров системы и информации о климате и дает ответ на вопросы о поведении системы в тех или иных условиях. Таким образом, можно проверить проект до его реализации в натуре.
Такая программа, разработанная в Научной лаборатории в Лос-Аламосе и основанная на указанных принципах, использует предварительно записанные ежечасные погодные данные в годичном цикле и прогнозирует поведение системы через каждый час. Точность и надежность этой системы проверены сначала на экспериментальных павильонах, а потом и на больших зданиях.
Другая математическая модель была использована при разработке программы Висконсинским университетом для прогнозирования поведения солнечной системы в различных условиях. Сначала ее применяли только для активных систем, но затем стали использовать и для некоторых типов пассивных систем.
Однако обе модели предназначены для работы на больших дорогостоящих компьютерах, подготовка данных для которых занимает много времени. Они очень полезны при исследованиях, но мало применимы на практике.
Для практического использования существует два хорошо известных метода проектирования, основанных на двух программах прогнозирования: метод SLR и «метод недоиспользования».
Технология проектирования (метод SLR).
Научная лаборатория в Лос- Аламосе провела обширные эксперименты по моделированию, используя собственную программу моделирования, и результаты хорошо коррелировали с определенными параметрами системы. Наиболее подходящим базовым отрезком времени для таких сопоставлений оказался месяц. Наилучшая корреляция была обнаружена по безразмерному параметру — коэффициенту солнечного отопления SLR, который определяется как отношение поглощенной солнечной энергии к количеству теплоты для отопления здания. Метод, основанный на измерении этого параметра, получил название «метод SLR».
Если S0 — энергия, поглощенная единицей площади за месяц, А — площадь проема, облучаемого солнечной радиацией, q' — количество теплоты, теряемой зданием (исключая площадь оконного проема, облучаемого солнцем), К·ч — месячная сумма Кельвин-часов, то
(7-16)
Здесь Sа и К-ч — климатические параметры, тогда как А и q' являются характеристиками здания. Таким образом, энергетический параметр здания можно выразить через их отношение Lcr=q/A, Вт/(м2·К), тогда
(7.17)
Потери теплоты через площадь поверхности ограждений, облучаемую солнцем, и другие системные характеристики будут влиять на SLR, поэтому обозначим измененную величину SLR через х. Для измерения активности системы используется другой безразмерный коэффициент — составляющая солнечного накопления SSF.
Рассмотрим этот метод на рабочем примере. Возьмем обычное здание (рис. 7.30), в котором выходящее на юг окно (с двойным остеклением) представляет собой проем для системы прямого солнечного поступления. Определим значение SSF на январь. По климатическим данным температурный дефицит
января равен 12400К·ч (при 18°С), а средняя дневная солнечная радиация на южную вертикальную поверхность составляет 4938 Вт-ч/м2. Предположим, что воздух заменяется наполовину в течение часа. Определение теплопроводности здания и расчет его теплового режима приведены ниже.
Этап 1. Вычислим теплопотери здания q', т. е. без учета проема, облучаемого солнцем, затем теплопотери для всего здания q, пользуясь методом, приведенным в п. 7.2.2.
Таблица 7.3. Корреляционные коэффициенты для вычисления параметра S$f
Таблица 7.4.
Рис. 7.30. Малоразмерное здание, на основе которого выполнены примеры расчета теплового баланса
Рис. 7.32. Отношение среднемесячных зимних значений максимальных часовых полуденных (Rn=Iверт/Iгориз) и суточных сумм (Ra=Нверт/Нгориз) солнечной радиации, поступающих на вертикальную стену южной ориентации и горизонтальное покрытие
Рис. 7.31. Диаграмма теплового баланса немассивного здания (площадь Н соответствует дневной сумме солнечных теплопоступлений в здание, площадь D — тепловым потерям здания)
- — необходимое дополнительное отопление, 2 — неиспользуемая часть солнечной теплоты
Рис 7 33. Теплотехническая схема конструкции типа «массивная стена»
Рис. 7.34. Взаимное расположение смежных зданий при условии незатеняемости коллектора. При минимальном расчетном угле па дения солнечных лучей 26' требуемое отношение h/d=0,49, но поскольку h измеряют от низа коллектора, то размещение последнего на крыше обеспечивает большую компактность застройки, чем в варианте с пассивной системой стены коллектора
Сопоставление двух методов.
Из двух рассмотренных нами методов проектирования, основанных на корреляции, метод SLR проще, его можно применять, не прибегая к помощи компьютеров, если имеются таблицы необходимых коэффициентов. По методу SLR было составлено несколько программ для малых ЭВМ. Однако этот метод имеет ограниченное применение, так как он пригоден только для тех типов систем и конструкций, для которых известны и опубликованы различные корреляционные постоянные.
Изучение влияния различных значений термического сопротивления ночной изоляции, изменения поглощения солнечной радиации поверхностями, варьирования массивности здания и других параметров термостатирования этим методом крайне громоздко.
В «методе недоиспользования» применяются более сложные вычисления. Од нако этот метод вполне применим при наличии вычислительной техники, и его несложно заложить в микрокомпьютеры. В то время как метод SLR основан на использовании многочисленных таблиц, данный метод в них не нуждается, так как все необходимые коэффициенты можно определить аналитическим путем.
Метод SLR завоевал большую популярность, возможно в силу своей простоты и широкой известности.
Применение пассивных методов использования солнечной энергии для многоэтажных зданий.
Большинство пассивных зданий, построенных за последние 10 лет (а их больше 10 тыс.), являются домами для одной семьи, стоящими отдельно от других построек. В густо заселенных городских центрах при наличии большого числа многоэтажных зданий возникает ряд специфических проблем.
Первая проблема — это обеспечение оптимальной ориентации коллектора: в северном полушарии преимущественно на юг (в южном полушарии — на север). При разработке генплана новых районов следует принимать ориентацию улиц и зданий исходя из условия обеспечения требуемой солнечной облученности.
Вторая проблема связана с перезатенением. Много писали о проблеме свободного «доступа солнца» к энергоактивным зданиям, но пока не существует простого и единого решения этой проблемы. В городских центрах здания могут быть слишком затенены даже при правильной ориентации, по крайней мере, большую часть дня, из-за соседних высотных зданий. Если плоская панель коллектора активной системы расположена на крыше, то нетрудно обеспечить полный «доступ солнца» (рис. 7.34), но в пассивной системе коллектором (или потенциальным коллектором) является южная стена, снизу доверху. Обеспечение доступа солнца в точки, находящиеся около уровня земли, требует широкого открытого пространства перед зданием, что далеко не всегда возможно с точки зрения использования территории в городе.
При более глубоком изучении этой проблемы становится очевидным, что можно пойти на некоторые уступки, не имея при этом больших потерь солнечной теплоты. Основная радиация на южную поверхность поступает между 10 и 14 ч, а та часть, которая поступает до 9 и после 15 ч, не столь значительна. На стереографической диаграмме направления солнечных лучей (рис. 7.35) видно, что в зимние месяцы «солнечное окно», ориентированное на юг в азимутальном сек торе ±45°, обеспечит беспрепятственный доступ солнца с 9 до 15 ч, поэтому препятствия (другие здания) любой высоты допустимы вне пределов ±45°.
В пределах 45° критическая ситуация возникает в середине зимы, когда солнце стоит низко. 23 декабря высота солнца в полдень равна 90° — LAT — 23,5°, где LAT — географическая широта. Зенитный угол в 10 и 14 ч. будет еще меньше, он также зависит от широты. На рис. 7.36 показано «солнечное окно», в пределах которого не должно быть препятствий для солнечного коллектора (например, окно в системе прямого солнечного поступления), а на рис. 7.37 — возможное взаимное расположение зданий на генплане района, которое удовлетворяет указанным требованиям.
Рис. 7.35. Инсолограмма для широты 44° с. ш. (например Ялта). Если «солнечное окно» имеет незатеняемый азимутальный сектор ±45° относительно направления на юг, то будет обеспечено беспрепятственное облучение с 15 ноября по 28 января (точки «О») с 9 до 15 ч. Высота солнца в полдень 22 декабря равна 22,5' (точка «X»). Если солнечное окно не затеняется внешними объектами в угловом диапазоне 22,5—5=17,5°, то гарантировано беспрепятственное облучение окна днем в середине зимы с 9 ч 50 мин до 14 ч 10 мин Все рассмотренные нами пассивные системы энергетически снабжают только помещения, ориентированные на юг. В одноэтажных зданиях можно использовать светопроемы в крыше или верхний ряд окон для проникания солнечной радиации в комнаты на северной стороне. В многоэтажных зданиях это невозможно.
Рис. 7.36. Пространственная схема дonycтuмых высот внешних затеняющих объектов, не создающих препятствий для поступления прямой солнечной радиации к «солнечному окну»
Рис. 7.37. Возможное размещение на широте 44° с. ш. трехэтажных зданий размером 24Х 8Х2 м с соблюдением условия незатеняемости в азимутальном секторе ±45'. Полуденная высота солнца в середине зимы 90—44 — 23,5—22,5°. При этом расчетный незатеняемый зенитный угол составляет 22,5—5=17,5°, 17,5°=0,32. При высоте дома h—12 м 0=12/0,32=37,5 м и S=(d±w)/2=(37,5±8)/2=22,75 м
Одним из решений проблемы является правильная планировка: расположение всех жилых комнат на южной стороне, а туалетов, ванных комнат, прачечных, кладовых, коридоров — на северной, так как они не требуют интенсивного отопления. Это возможно, но ставит большие ограничения перед архитектором. Дома могут оказаться слишком вытянутыми с востока на запад и узкими в меридиональном направлении. Конечно, изобретение механизма, передающего теплоту, полученную южной стеной, во второй ряд комнат с противоположной ориентацией решило бы большую часть этих проблем.
Можно, конечно, оставлять открытыми двери, тем самым позволяя свободному току воздуха сравнивать температуру в первом и втором ряду комнат. Но это не очень удачное решение, так как при этом всегда будет существовать перепад температур в двух комнатах ΔТ. Эту величину можно представить как функцию LDR (отношения общего количества теплоты к проходящему через площадь двери). Если количество потерь теплоты из комнаты второго ряда равно L, Вт/К, а площадь двери Ad=hw (высота х ширина), то
, и
При постоянно открытой двери ΔT не может быть больше 1 К, но часто дверь приходится закрывать по каким-либо причинам (или между двумя комнатами может вообще не быть двери), так что предпочтительна другая форма передачи теплоты.
Решение этой проблемы предлагает система Барра—Константини [1]. Это изобретение итальянских архитекторов показано на рис. 7.38. Пол сделан из пустотелых железобетонных элементов. Закрытые углубления образуют горизонтальные воздушные каналы. На южном конце эти углубления соединены с воздушными прослойками массивной стены, а на противоположном конце есть щелевые отверстия для прохода воздуха во второй ряд комнат. Ответные щелевые проемы сделаны на уровне пола внизу, этим обеспечивается рециркуляция: во время воздействия солнечной радиации возникает термосифонный эффект воздухообмена между стеной и вторым рядом комнат. Южный фасад такого здания будет, таким образом, иметь два основных компонента:
окна, дающие практически мгновенный прямой солнечный обогрев (как и естественное освещение) первому ряду комнат;
остекленные панели массивной стены, дающие мгновенный конвективный доступ теплоты во второй ряд комнат и замедленный — в первый.
В одном из вариантов этой системы используется гелиоприемник в виде пластины с малой теплоемкостью, размещенной в воздушной прослойке между остеклением и стеной. Такая пластина обеспечивает конвективную передачу теплоты в воздушный поток с обеих сторон гелиоприемника. Это также создает повышенную передачу теплоты во второй ряд комнат в дневное время, меньшее же количество теплоты аккумулируется и затем выделяется через некоторое время. Установлено, что действие этой системы идентично системе прямого солнечного поступления, использующей ночную изоляцию.
Другим преимуществом системы Барра—Константини является то, что она поддерживает довольно высокую температуру всей внутренней поверхности здания (особенно бетонного потолка), таким образом, температура излучения практически равна температуре воздуха.
Это единственное чисто пассивное решение проблемы, но существует много других, которые можно считать смешанными. Они основаны на циркуляции потока, движимого маленьким насосом или вентилятором.
В заключение можно сказать, что южный фасад многоэтажных зданий обладает очень ценным качеством: на высоких широтах эта поверхность получает зимой больше солнечной радиации, чем другие. Нужно использовать каждый квадратный сантиметр этой поверхности. В распоряжении архитектора имеется широкий круг разнообразных приемов: он может использовать окна для прямого поступления теплоты (и естественного освещения), может использовать системы типа «массивная стена» или «водонаполненная стена» для замедленного отопительного эффекта, а также применять гелиоприемники низкой теплоемкости или даже плоские коллекторные панели для передачи теплоты во второй ряд комнат.
Выбор этих элементов и их соотношение во многом зависят от назначения здания. Здания, используемые только днем (школы, учреждения), требуют мгновенного поступления теплоты и меньшего ее аккумулирования, а жилые здания наоборот. Рациональное использование этих элементов позволяет обеспечить 75% отопления путем использования пассивной системы солнечной энергии. Если остается место на фасаде здания, на нем можно установить панели коллекторов для нагревания воды.
Умелое использование и расположение этих элементов позволяет открыть новые интересные возможности в архитектуре.
Список литературы
I. Artese G., О. A. Barra, Т. Costantini (1981). The Barra-Costantini passive system. Solar World Forum, Brighton, U. K., ed by D. O. Hall and J Morton Pergamon Press London. vol. 3, p. 1929. 2 Balcomb J. D., R. W. Jones, R. D. Mcfarland, W. O. Wary (1982). Expanding the SLR method. Passive Solar Journal, vol. 1, No. 2. pp 67—90. Am. Sol Energy Soc.
3. Passive Solar Design Handbook (1980)
vol. 1 ... design concepis (Total Environment Action)
vol. 2: . design analysis (J D. Balcomb) U.S.Dept ef Energy, Washington
4. Shurcliffe W. A. (1980). Thermal Shutters and Shades. Brick House Publishing, Andover, Mass.
5. Szokolay S. V. (1980). World Solar Architecture Architectural Press, London.
