Учебники 80362

31

Обычное силикатное стекло пропускает и частично поглощает большую часть видимого спектра, незначительно его отражая. Оно не обладает избирательной способностью, и поэтому большая часть длинноволновой инфракрасной радиации поступает в помещения, а также удерживается излучение, исходящие от поверхностей предметов, находящихся внутри здания. Это экономит энергию в отопительный период, но увеличивает нагрузку на системы кондиционирования воздуха в летние месяцы. Стеклопакеты с регулируемыми светопропускными способностями позволяют создать оптимальную комбинацию уровня естественного освещения и поступления теплоты в помещение от солнечной радиации в зависимости от времени года, что способствует повышению энергоэффективности здания.

Существует два типа покрытий для производства смарт-окон с изменяющимися пропускными способностями: жидкокристаллическое, переходящее из прозрачного в полупрозрачное состояние, и фотохромное, затеняющееся под воздействием солнечного излучения. Первое покрытие получают при использовании окисей металлов, а второе - с нанесением взвешенных частиц (Suspended particle devices – SPD). Эти способы регулирования поступлений солнечной радиации в помещения существенно отличаются друг от друга по компонентам покрытий, производительности, методам управления и уровню коммерциализации.

Электрохромные технологии используют пятислойное нанесение оксидов металлов [183], заключенное между двумя листами стекла. Покрытие выполняется методом вакуумного напыления и имеет следующую структуру слоев: проводящий; содержащий положительно заряженные ионы (бесцветный оксид металлического лития); проводник (электролит); электрохромный (отрицательно заряженный оксид вольфрама); проводящий. При подаче напряжения положительно заряженные ионы лития переходят через проводник (электролит) в электрохромный слой, где они, вступая в реакцию с оксидом вольфрама, образовывают вольфрамат лития. В этом процессе компенсационный электрон проходит по цепи из слоя с ионами в электрохромный слой. Вольфрамат лития поглощает световой поток в ходе протекания реакции, покрытие темнеет, а теплота, полученная от солнечного излучения, передается в основном от стекла наружному воздуху. При смене полярности происходит обратная реакция и остекление принимает прозрачное состояние. Пропуская способность смарт-окна при необходимости обеспечивает поступление видимой части спектра солнечного излучения от 62 %, а при полном затемнении до 3,5 % [183]. Для управления пропускной способностью предусматирвается автоматическая или ручная регулировка. На питание и управление светопрозрачным ограждением площадью 140 м2 затрачивается электроэнергии в дневные часы меньше 50 Вт. В полностью прозрачном состоянии смарокна не потребляют электроэнергию.

Однако возможности широкого применения элетрохромного стекла ограничиваются скоростью перехода из одного состояния в другое, а также высокой стоимостью покрытий. Время перехода смарт-окна из прозрачного в

32

матовое для небольшой его площади может достигать пяти минут, при этом происходит неравномерное затемнение от краев к центру. Для витражного исполнения, а также при низкой температуре наружного воздуха временной интервал изменения пропускной способности увеличивается, что в конечном итоге приводит к снижению эффективности управления только до двух пограничных состояний: прозрачное и полностью затененное.

Окна по технологии SPD выполняются двухслойными из стекла или прозрачного полимера с пленочным проводящим покрытием внутренних поверхностей. Покрытие состоит из взвешенных нано-частиц, химический состав которых специально разработан в соответствии с требуемыми условиями затенения. Частицы в покрытиях имеют разнонаправленное положение и поэтому не пропускают до 99,75 % солнечного излучения [183]. Под воздействием переменного тока на проводящие слои взвешенные частицы ориентируются по электрическому полю, пропуская солнечную радиацию. Изменяя напряжение можно плавно регулировать пропускную способность смартокна в кратчайший временной 1-3 с до практически полностью затемненного состояния. Количество взвешенных частиц в проводящих пленках определяет пропускную способность светопрозрачного ограждения. Эта величина в зависимости от предъявляемых требований может быть в диапазоне от 1 до 50 %. SPD-стеклопакет не потребляет электроэнергию в состоянии полного затенения, а затраты на периорентацию взвешанных частиц минимальны и не превышают 10 Вт.

Применение смарт-технологий, не смотря на их высокие стоимостные показатели, позволит осуществлять регулирование процессов прямого улавливания солнечной радиации помещениями, повышая тем самым эффективность использования полученной теплоты.

Из приведенных выше способов организации пассивного солнечного отопления можно выделить три основных типа гелиосистем данного класса:

I.с прямым улавливанием солнечного излучения, поступающего в помещение через светопрозрачные ограждения высокой пропускной способ-

ности;

II.с косвенной утилизацией солнечной энергии посредством нагревания аккумулирующих строительных конструкций южного фасада, закрытых

остеклением в соответствии с архитектурными решениями здания;

III. с косвенной утилизацией и с циркуляцией нагреваемого воздуха от поглощающих излучение структур до аккумуляторов, использующих теплоту фазового перехода или высокую теплоемкость материалов.

Кроме того, могут использоваться комбинированные системы, включающие в свою пассивную структуру активные элементы, повышающие степень поглощения и преобразования излучения.

Прямое улавливание светового потока может быть эффективным при выполнении следующих условий при проектировании:

оптимальное расположение здания на местности должно быть вдоль оси восток-запад или с отклонением не более 30о от этой оси;

33

южный фасад здания должен содержать 50-70 % окон от их общей площади с однокамерными стеклопакетами высокой пропускной способности; на северном фасаде площадь двухкамерных светопрозрачных ограждений должна быть минимальной;

наружные ограждения сооружения должны иметь качественную тепловую изоляцию, низкие показатели теплопотерь вследствие инфильтрации и высокую аккумулирующую способность внутренних строительных конструкций;

при проектировании зданий жилые комнаты следует располагать с южной стороны;

для остеклений южного, юго-восточного, юго-западного, восточного и западного фасадов зданий следует предусматривать мобильные средства экранирования с теплоизолирующим эффектом.

КПД пассивной системы отопления, как правило, составляет 25-30 %, но

вособо благоприятных климатических и технических условиях может быть значительно выше и достигать 60 %. Существенным недостатком такой системы являются большие суточные колебания температуры воздуха внутри помещений. Поэтому пассивные системы отопления целесообразно использовать в переходные периоды года, а в зимние месяцы они позволяют снизить тепловую нагрузку на традиционные энергоисточники.

Для повышения эффективности пассивной утилизации целесообразно увеличивать размеры окон, что наряду с получением дополнительной теплоты позволит обеспечить помещения естественным дневным освещением, сокращающим потребление электроэнергии. При монтаже значительных площадей светопрозрачных ограждений необходимо устанавливать дополнительную теплозащиту с экранирующим эффектом, которая в последствии позволит в холодный период года при слабом потоке солнечного излучения или при его отсутствии сократить потери теплоты, а в теплый период предотвратить интенсивное нагревание внутреннего воздуха помещений.

Предлагаемые мероприятия по солнцезащите при значительных площадях светопрозрачных ограждений направлены на то, чтобы уменьшить нарушения микроклимата, которые выражаются в перегреве внутреннего воздуха помещений, в сильной контрастности, яркости или блесткости, возникающих под воздействием прямого и рассеянного излучения. Блесткость проявляется

чаще всего при низком положении Солнца, соответствующем углу склонения 30о, но при этом прямые лучи полностью не должны экранироваться.

Для уменьшения теплопоступлений в помещения в летние месяцы можно использовать любые солнцезащитные средства, которые экранируют излучение предпочтительно перед проходом его через остекление без особо сильного собственного нагрева. Поэтому наиболее эффективны располагаемые снаружи отражающие устройства, в том числе и смарт-стекло.

Системы такой защиты должны выполнять следующие функции:

I.предотвращать повышение температуры внутреннего воздуха в летний сезон;

34

II.защищать восприятие людей, находящихся в помещениях, от блесткости, возникаемой при воздействии на поверхности прямого солнечного

излучения и рассеянного от небосвода;

III.для обеспечения равномерности освещенности помещений снижать контраст яркостей между затененными поверхностями и предметами, находящимися в зонах воздействия прямой радиации.

Все эти функции выполняют поворотные вертикальные пластины – жа-

люзи. Их применение не только уменьшает тепловую нагрузку на традиционную систему отопления при низкой интенсивности солнечного излучения и в ночное время суток, но и сокращает в теплый период года холодопроизводительность систем кондиционирования, создающих оптимальные параметры внутреннего воздуха помещений.

Разработка и применение эффективных, простых в обслуживании, подвижных экранирующих теплозащитных устройств для окон зданий позволит контролировать поступление солнечного излучения в теплый период года и максимально его использовать в зимнее время для компенсации теплопотерь в сооружениях, что в конечном итоге обеспечит более широкое территориальное распространение пассивных систем отопления.

Уровень компенсации лучистой энергией в тепловой нагрузке систем отопления зависит от свето- и теплотехнических показателей строительных материалов наружного ограждения. Поэтому при проектировании гелиоактивных конструкций следует учитывать их трансмиссионную способность для утилизации солнечной радиации.

Наружные стены, имеющие фасадное светопрозрачное ограждение (рис. 3.4), позволяют использовать наиболее доступный способ прямого улавливания солнечной энергии и ее передачи потребителю для поддержания параметров микроклимата помещений с минимальными затратами на традиционное отопление зданий. Влияние возникаемого в этом случае теплового процесса на сокращение потерь можно оценить при допущении, что поглощающая способность остекления мала, и преодолевшее его излучение поступит на поверхность несущей строительной конструкции, повышая ее температуру.

Для стационарных условий плотность теплового потока, проходящего через такое наружное ограждение (рис. 3.4), можно представить в следую-

где Q – тепловой поток, Вт; А – площадь ограждения, м2; dСО – коэффициент пропускания светопрозрачного ограждения; а – коэффициент поглощения несущего слоя строительной конструкции; IП – солнечная радиация поступающая на вертикальную поверхность ограждения, Вт/м2; tВ, tВП, tП, tСО, tНП, tН – температуры, соответственно, внутреннего воздуха, на внутренней поверхности ограждения, на поверхности несущего слоя, подвергаемой воздействию солнечной радиации, на поверхности остекления со стороны воздушной прослойки, на наружной поверхности ограждения и наружного воздуха,

коэффициенты теплопроводности материалов строительной конструкции,

раждения, (м2 оС)/Вт; Н – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции; Вт/(м2 оС).

Рис. 3.4. Схема гелиоактивного наружного ограждения: 1 – остекление; 2 - воздушная прослойка; 3 – несущий слой строительной конструкции

После несложных преобразований и с учетом коэффициента теплопередачи получим зависимость

36

Рассмотрим влияние поглощения солнечной радиации строительными конструкциями на тепловую нагрузку здания с учетом их южной ориентации и для климатических условий г. Ростова на Дону. Пусть наружное ограждение (рис. 3.5) имеет теплозащитный стеклопакет с высокой пропускной способностью для солнечной радиации [134] и воздушную прослойку, с установленными в ней автоматическими подвижными жалюзями, выполненными из фольгированного пенофола с коэффициентом теплопроводности 0,031 Вт/(м.оС). Основной несущий слой представляет собой кладку из силикатного кирпича, который имеет коэффициент поглощения солнечной радиации рав-

ный 0,6.

Рис. 3.5. Вид сверху гелиоактивной наружной стены снабженной подвижными жалюзями: 1 – однокамерный стеклопакет; 2

– жалюзи из фольгированного теплоизоляционного материала; 3 – силикатный кирпич

Учитывая современные требования к тепловой защите зданий [91] для данного климатического района сопротивление теплопередачи наружных стен должно быть не менее 2,44 (м2 оС)/Вт - для жилых, 2,09 - общественных и 1,6 - производственных зданий. В ночное время суток закрытые жалюзи из фольгированного пенофола толщиной 10 мм позволяют обеспечить этот норматив для общественных сооружений при кирпичной кладке в 510 мм. Но в дневное время суток, даже в самый холодный месяц солнечное излучение благодаря такой конструкции будет проникать в ее структуру, нагревая несущий слой. Это подтверждается результатами расчетов, выполненными в соответствии с (6, 7) и представленными на рис. 3.6. Зависимости 3, 4, 5 (рис. 3.6) получены при среднем потоке солнечной радиации в январе

37

[90] с учетом действительной облачности климатического района и для теплозащитного остекления, имеющего коэффициент пропускания излучения равный 0,55 [134]. Безусловно, в тепловых процессах заметно влияние окраски несущего слоя, которая позволяет повысить поглощение солнечной радиации до 0,7 при силикатном темно-сером покрытии и до 0,9 при черном.

Необходимо отметить, что, используя новые технологии, в том числе и нано уровня, можно добиться повышения пропускной способности светопрозрачного ограждения, и тогда, как показано на рис. 3.6, уже при обеспечении dСО=0,8 теплопотери полностью компенсируются, а избыток теплоты может быть аккумулирован в строительных конструкциях для последующего использования в ночное время суток. Но даже обычный силикатный кирпич, также в дополнении покрытый силикатной темно-серой краской позволят сократить теплопотери относительно современных требований по теплозащите для климатических условий г. Ростова на 16-26 % (рис. 3.7). При уменьшении толщины несущего слоя до 380 мм с целью сокращения капитальных затрат и тех же параметрах эксплуатации поступления от солнечной радиации позволят компенсировать теплопотери на 3-14 %.

Рис. 3.6. Тепловой поток через 1 м2 наружной стены при среднемесячной температуре января для климатических условий г. Ростова на Дону в зависимости от толщины кирпичной кладки; 1, 2 – теплопотери, соответственно, при открытых и закрытых жалюзях; 3 – теплопоступления от солнечной радиации при пропускной способности стекла 0,55 и кладке из силикатного кирпича; 4 – тоже, при окрашивании несущего слоя силикатным темно-серым покрытием; 5 – тоже, при окрашивании черным цветом; 6 – теплопоступления от солнечной радиации при пропускной способности стекла 0,8 и при окрашивании силикатного кирпича черным цветом

38

Изменения теплового потока, проходящего через гелиоактивные наружные ограждения (рис. 3.6) показывают, что для повышения эффективности пассивного использования солнечной энергии снижение коэффициента теплопередачи в соответствии с современными требованиями по тепловой защите зданий не рационально, так как это сопровождается уменьшением теплопоступлений от солнечной радиации. Для эффективного улавливания большего диапазона спектра следует применять строительные материалы с высокими показателями по светотехническим и поглощающим свойствам, а также мобильные средства с теплоизолирующим и отражающим эффектами, создающими дополнительное сопротивление тепловому потоку при неблагоприятных погодных условиях. Только обеспечение регулирования пропускной способности светопрозрачных ограждений и теплозащитных свойств, включая аккумулирующую способность строительных конструкций, усиленную дополнительными прослойками с активными компонентами, можно добиться значительного сокращения потребляения энергоресурсов зданиями.

Рис. 3.7. Компенсация нормативных теплопотерь за счет утилизации солнечного излучения в климатических условиях Ростова на Дону при различной толщине кирпичной кладки; 1 –при пропускной способности стекла 0,55 и силикатном кирпиче; 2 – тоже, при окрашивании несущего слоя силикатным темно-серым покрытием; 3 – тоже, при окрашивании черным цветом

Следует отметить, что пассивная утилизация солнечной энергии нашла также широкое применение в южных регионах при производстве строительных материалов. Производя термообработку изделий в естественных условиях полигонов при минимальных затратах на остекление мест их размещения,

39

можно достичь высокой экономии энергоресурсов, а также ликвидировать дефицит данной продукции, возникающий именно в теплый период года. Используя же более эффективные укрытия с хорошей тепловой изоляцией, можно значительно сократить не только энергопотребление, но и сроки выпуска строительных материалов.

Несмотря на указанные преимущества данного способа термообработки, в средней полосе России этот процесс осуществляют традиционными методами пропаривания, полагая, что солнечной радиации будет недостаточно. Очевидно, что применение гелиополигонов целесообразно не только в указанных климатических условиях, но и в более северных широтах.

3.2.Активные системы солнечного теплоснабжения

Большой практический интерес к обогреву помещений и получению горячей воды за счет солнечной радиации обусловлен тем, что в странах с развитой экономикой около 30-40 % производимой энергии потребляется при температуре теплоносителя до 100 оС. Получить тепло таких параметров можно с помощью плоских солнечных коллекторов, работающих по принципу тепличного эффекта при прямой абсорбции излучения, а главное не требующих высокотехнологичных и поэтому дорогих систем слежения за Солнцем.

Основным конструктивным элементом гелиоустановки является коллектор, в котором происходит улавливание солнечной энергии, ее преобразование в теплоту и нагрев воды, воздуха или какого-либо другого теплоносителя. Существуют два типа солнечных коллекторов: фокусирующие и плоские. В первом случае создаются условия для увеличения плотности потока солнечной радиации, попадающей на воспринимающий элемент, что позволяет нагреть теплоноситель свыше 300 оС. Для этого устанавливают не только концентраторы, но и системы слежения за солнцем. Второй тип коллекторов (рис. 3.8, 3.9) не требует фокусирования излучения, и поэтому обладает простотой исполнения и наиболее распространен.

Поглощающая панель плоских коллекторов состоит из пластин, имеющих надежный контакт с трубами или каналами, что в совокупности образует единый конструктивный элемент – абсорбер, выполненный из металла с высокой теплопроводностью, а именно из стали, алюминия или меди. Для лучшего улавливания солнечного излучения воспринимающая поверхность абсорбера должна иметь покрытие черного цвета или специальное селективное, наличие которого позволяет максимально поглощать радиацию и минимизировать тепловые потери коллектора. Сверху абсорбер закрыт светопрозрачным ограждением, выполненным в виде одного или двух слоев стекла или стойкого к воздействию ультрафиолета полимера и пропускающего длинноволновое излучение.

Стекло для инфракрасного излучения, в данном случае исходящего от абсорбера, обладает низким коэффициентом пропускания, поэтому в плоских солнечных коллекторах наблюдается тепличный эффект, заключающийся в накоплении энергии и, соответственно, в увеличении температуры поглощающей панели до 160 оС, если полученная теплота не выводится из устройства теплоносителем.

В средней полосе Европы в летние месяцы производительность каждого квадратного метра поверхности абсорбера плоских коллекторов может достигать 50-60 литров воды в день с температурой 60-70 оС. При этом КПД солнечного коллектора составляет около 70 % и зависит от температуры окружающей среды, плотности потока солнечной энергии и температуры, до которой подогревается теплоноситель. КПД увеличивается при возрастании первых двух параметров и при уменьшении температуры нагрева, но так как ее стандартная величина должна быть не ниже 45 оС, то этим показателем существенно повлиять на эффективность утилизации не представляется возможным.