1. Применение солнечной энергии при проектировании зданий
Общие сведения
Солнечная энергия, а также солнечное излучение, аккумулированное в виде тепла в окружающей среде, являются одним из дополнительных энергетических источников.
В жилище солнечная энергия может быть использована для систем отопления, горячего водоснабжения и охлаждения зданий.
Системы солнечного энергообеспечения подразделяются на «пассивные», где роль элементов системы обогревания играют конструкции здания; «активные» состоящие из коллекторов, тепловых насосов и тепловых аккумуляторов; и смешанные (интегральные).
Пассивная система солнечного отопления – система отопления, основанная на применении архитектурных и конструктивных решений для повышения степени использования солнечной радиации и (или) снижения тепловых потерь здания без применения гелиотехнического оборудования.
Системы с прямым солнечным обогревом. Наиболее существенной частью таких систем является правильно ориентированный гелиоприемник, например, окно.
Внутри комнаты должны быть темные, хорошо поглощающие солнечный свет поверхности, обладающие высокой теплоемкостью для аккумулирования поглощенной теплоты.
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.
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. 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.
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.
Система типа «водонаполненная стена». Из всех наиболее распространенных материалов вода имеет самую высокую теплоемкость. Поэтому ее целесообразно использовать в качестве теплоаккумулирующей среды.
Вода в различных формах контейнеров часто используется в системах, сходных с системой типа «массивная стена». Между водяными контейнерами (бочки или стальные трубы) оставляются промежутки, пропускающие некоторое количество солнечного света и теплоты непосредственно в комнату.
Термический диод. Его можно рассматривать как вариант системы типа «водонаполненная стена». Он состоит из двух контейнеров с водой, разделенных слоем теплоизоляции и сообщенных друг с другом только одним трубчатым каналом вверху и одним внизу. 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 районах можно обойтись без остекления. Если в воду добавить антифриз, то остекление необязательно 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.
Система типа «водоналивная крыша». В одноэтажных домах 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.
В этой системе стальной настил покрытия образует потолок над помещениями здания. Наполненные водой баллоны из зачерненного пластика расположены поверх металлического настила. Они обеспечивают слой воды толщиной в среднем 220 мм. 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 (рис. 1).
Активная система солнечного теплоснабжения (горячего водоснабжения отопления обеспечения технологических нужд) – система, содержащая гелиотехническое и обычное теплотехническое оборудование и предназначенное для обеспечения теплоснабжения здания (рис. 2).
Все гелиоздания можно классифицировать по следующим признакам:
1) по степени трансформируемости и энергоактивности (нетрансформируемые здания со стационарно ориентированным коллектором, мобильные здания со следящим коллектором, стационарные с трансформируемой защитой, стационарные с концентрированной подачей солнечной энергии на плоский коллектор, стационарные со следящим солнечным коллектором);
2) по расположению солнечных коллекторов в системе наружных ограждающих конструкций (на скатных и плоских покрытиях, наружных стенах, ограждениях лоджий, соляриев, в оконных проемах, зенитных фонарях, на цоколе и ниже, в окрестностях здания);
3) по типу отопительной системы (с воздушным отоплением и охлаждением; с водяным, со смешанным).
В энергоактивных зданиях аккумулирование солнечной энергии может происходить различными способами (вода, камень, контейнеры с тугоплавкими солями) и это влияет на эффективность гелиосистемы, стоимость гелиотехнического оборудования и всего здания. Наиболее эффективным для длительного аккумулирования солнечной энергии в гелиосистемах является применение аккумуляторов с фазовыми переходами (тугоплавкие соли).
В период с минимальной солнечной активностью необходимо использование вспомогательных источников энергии (дублеров). Дополнительной энергией может служить, в первую очередь, энергия ветра, а также традиционные виды энергии.
При сравнении различных вариантов энергоактивных зданий с экономической точки зрения преимуществами будут обладать такие здания, при проектировании которых соблюден принцип полифункциональности (совмещении части ограждающих конструкций с коллектором).
Перспективным направлением в проектировании солнечных зданий должно стать сочетание многофункциональной активной системы с простейшими видами систем и использованием определенного объема дома под зимний сад.
В интегральных системах совмещен принцип действия пассивных и активных систем. Например, в здании с «массивными» стенами на скатной крыше расположены плоские солнечные коллекторы или в многоэтажном здании, на крыше которого находится остекленный объем с зимним садом ограждения балконов решены в виде коллекторов.
Основная система Вариант Смешанная система
Рис. 1. Технические решения пассивных систем
Рис. 2. Энергоактивные конструкции зданий, совмещенные с
коллектором солнечной энергии