ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА

ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ ЗДАНИЙ

АЛЬТЕРНАТИВНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА

Особенности климата в южных районах СССР во многом обусловлены большими теплопоступлениями от солнечной радиации не только в теплый, но и в холодный периоды года. Например, для географической широты <р = 42° с.ш. продолжительность солнечного сияния за год более 2000 часов, а суммарная радиация при безоблачном небе за период от 11 до 12 часов на вертикальную поверхность южной ориентации составляет: в декабре — феврале порядка 900 Вт/м², а в июне — июле порядка ' 350 Вт/м². Продолжительность солнечного сияния в отопительный период имеет существенное значение, которое учитывают при использовании тепло­ты солнечной радиации для теплоснабжения зданий.

Солнечное теплоснабжение зданий основано на применении двух принципиальных схем — пассивного и активного использования энергии солнца. Здание с пассивным использованием энергии солнца можно определить как климатически сбалансированное здание, в котором максимально используется теплота солнеч­ной радиации для обогрева помещений без применения специальных технических устройств. Задача проектирования здания с пассивным использованием энергии солнца состоит в применении научно обоснованных взаимоувязанных архитектурно-конструктивных и объемно-планировочных мероприятий, способствующих утилизации теплоты солнечной радиации в тепловом балансе помещения в холодный период года и не приводящих к перегреву помещения в теплый период года. Архитектору следует иметь в виду: наибольший эффект экономии энергии достигается в здании с одновременным сбалансиро­ванным использованием активных и пассивных систем утилизации энергии солнца.

Очевидно, что задача проектирования многоэтажных гражданских зданий с пассивными приемами по использованию теплоты солнечной радиации для снижения расхода энергии на обогрев помещений должна решаться при научно обоснованном выборе: ориентации здания; степени остекления наружных ограждений; местоположения светового проема в наружном ограждении и соотношения длины и высоты проема; способа регулирования тепло- и солнце-защиты заполнения светового проема; теплотехнических показателей материалов внутренних поверхностей помещения. Рациональной можно считать такую ориентацию здания, кото­рая обеспечивает максимальные теп-лопоступления от солнечной радиации в холодный период года, а плани­ровочное решение — максимальные теплопоступления в жилые помещения. Для южных районов рекомендуется принимать здания широтной ориентации, вытянутое в плане, чтобы обеспечить наибольшие поступления теплоты солнечной радиации в холодный период и наименьшие — в теплый период. В теплый период года не должно наблюдаться перегрева помещений, борьба с которым достигается применением архитектурно-конструктивных и объемно-планировочных солнцезащитных мероприятий. Например, спальные комнаты следует размещать так, чтобы они освещались .солнцем в утренние часы, а остальные жилые комнаты — в дневные часы. Если летом спальные комнаты будут нагреваться солнцем в предвечерние часы, то ночью их трудно будет охлаждать.

Для обеспечения наибольших поступлений теплоты солнечной радиации в холодный период года световые проемы следует ориентировать на юг, а для защиты от поступлений теплоты солнечной радиации в теплый период года их следует оборудовать солнцезащитными устройствами. Особенно эффективно применение наружных и межстекольных теплоемких солнцезащитных устройств типа ставень или экранов из теплоизоляционных материалов, которые в холодный период года в ночное время обеспечивают дополнительную теплозащиту и снижение суточного расхода энергии на обогрев помещения до 20%.

Для ограждений южной ориентации с целью увеличения поступлений теплоты от солнечной радиации в холодный период года при низком стоянии солнца и уменьшении поступлений теплоты от солнечной радиации в теплый период года при высоком стоянии солнца целесообразно проектировать световые проемы, ширина которых больше высоты. Увеличение коэффициента остекле­ния ограждений южной ориентации с одновременным применением теплоемкой регулируемой солнцезащиты способствует улучшению суточного теплового баланса помещения. Однако увеличение коэффициента остекления сверх нормативных требований является недопустимым в общем случае. Широкое распространение в малоэтажном строительстве получила схема пассивного использования энергии солнца — конструкция Тромба-Мишеля. Эта конструкция реализуется следующим образом: у наружной ограждающей конструкции, ориентированной на юг, устраивают экран из одно- или двухслойного остекления так, что между слоями стекла образуются воздушные прослойки. Нагретый воздух из воздушной прослойки через специальные отверстия в верхней части стены поступает в помещение, которое обогревает, охлаждаясь при этом, и через специальные отверстия в нижней части стены возвращается в прослойку. Схема конструкции Тромба-Мишеля представлена на рис. 5.1.

Активное использование солнечной энергии в отличие от пассивного основывается на применении гелиоустановок, преобразующих солнечную энергию в тепловую, используемую для теплоснабжения зданий. В простейшем случае гелиоустановка состоит из солнечного коллектора, утилизирующего солнечную энергию, и теплового аккумулятора. Теплоноситель (вода или воздух) нагревается, протекая через коллектор, и затем поступает в систему теплоснабжения здания и в тепловой аккумулятор, где отдает теплоту теплоаккумулирующему веществу. Тепловой аккумулятор выполняет функцию теплоисточника в периоды отсутствия солнечной радиации. Гелиоустановки классифицируются по следующим признакам: по способу преобразования солнечной энергии (кроме непосредственного нагрева теплоносителя известны электрохимический, фотоэлектрический, барогальванический и др.); по форме солнечного коллектора -плоские коллекторы и концентрирующие (с различной степенью концентрации); по типу теплоносителя (вода, воздух).

На рис 5.2 приведена схема системы теплоснабжения здания с применением гелиоустановки. Принципиальной особенностью схемы является наличие двух контуров, соединенных через теплообменник.

Если предусматривается только отопление здания, то воздушная система предпочтительнее, так как она относительно проще и долговечнее. Но если требуется и система горячего водоснабжения, выбор между воздушной и водяной системами становится более сложным. Холодная вода может быть подогрета до подачи ее на водонагреватель. Такой подогрев холодной воды можно осуществить, пропуская ее через теплообменник в аккумулирующей емкости, что возможно как при водяной, так и при воздушной системе отопления. В первом случае змеевик проходит через водяной аккумулятор, во втором случае в контейнере с гравием, где можно установить несколько неболь­ших проточных емкостей с водой или проложить змеевик.

На основе метода подачи теплоты в жилые помещения можно выбрать водяную или воздушную систему отопления. Принудительная циркуляция теплого воздуха больше совместима с воздушной системой, хотя может осуществляться и в сочетании с водяной системой. В этом случае воздух продувается через калорифер, по которому проходит горячая вода из аккумуляторного бака и нагретой подается в обогреваемое помещение. Если же для отопления используют водяные радиаторные панели, то предпочтение нужно отдать водяной системе. Тогда нагретая вода от коллектора может напрямую подаваться в отопительные приборы или тепловой аккумуляторный бак (рис. 5.3).

На выбор потока, транспортирующего теплоту, влияет объем здания. Чем больше здание, тем больше теплоты требуется на его отопление и тем длиннее пути транспортирующего потока. Если температура потока поддерживается невысокой, то, для того чтобы увеличить КПД коллектора, потребуется большой его объем. Поэтому жидкостная система предпочтительнее, так как сечение труб значительно меньше воздушных каналов.

Климат также может определить выбор между водяной и воздушной системами. Например, в холодном климате предпочтительнее воздушная система, так как при водяной системе возникает проблема замерзания, и в воду приходится добавлять антифриз или вообще спускать ее из системы, чтобы избежать ее замерзания.

Вода и воздух значительно дешевле и доступнее, чем масло или антифриз. Коллектор для воздушной системы значительно дешевле, чем водяной. Другие компоненты, такие, как тепловой аккумулятор и теплообменник (или его отсутствие), также стоят дешевле для воздушной системы. При выборе той или иной схемы воздушного или водяного отопления также нужно учитывать стоимость вентиляторов, насосов и автоматических регуляторов.

Системы солнечного теплоснабжения требуют устройства солнечных коллекторов, располагаемых, как правило, на крышах или вертикальных ограждениях, имеющих южную ориентацию. Площадь солнечного коллектора ориентировочно составляют около 1 м² на каждые 2 м² площади здания, т. е. солнечный коллектор становится значительным формообразующим элементом здания. Кроме того, поверхность солнечного коллектора может выполняться гладкой, волнистой, рифленой или трубчатой, к тому же черного цвета для лучшего восприятия солнечной энергии. Понятно, что такой крупногабаритный элемент должен являться органической частью здания. Традиционное размещение коллектора на крыше позволяет несколько уменьшить как стоимость крыши, так и стоимость коллектора. Однако это может вызвать некоторую монотонность застройки, поэтому в ряде случаев приходится идти на размещение коллекторов на земле, хотя это и менее рационально с точки зрения площади застройки.

В случае установки на здании вместо солнечных коллекторов солнечных концентраторов, как правило, параболоцилиндрических, задача архитектора упрощается, так как их можно расположить на плоской крыше, т. е. сделать их невидимыми с земли и не влияющими на зрительное восприятие здания в целом.

Одним из важных элементов солнечных систем теплоснабжения является система аккумулирования теплоты, необходимость которой определяется неравномерностью поступления солнечной радиации в течение года. Размещение тепловых аккумуляторов в здании не требует, как правило, каких-либо особых архитектурных решений. Оптимальным является размещение аккумулятора в центре помещения и в нижнем уровне, что дает возможность избежать излишних теплопотерь и обеспечивает естественную циркуляцию теплоносителя. Нежелательно размещать аккумуляторную на перекрытиях, так как они обладают значительным объемом и весом.