Лекція №6. Основні положення при проектуванні пасивних та активних теплових сонячних систем.

Основні параметри будівель та їх розташування, системи акумулювання.

Розрізняють активні й пасивні системи сонячного теплопостачання будинків. Характерною ознакою активних систем є наявність колектора сонячної енергії, акумулятора теплоти, додаткового джерела енергії, трубопроводів, теплообмінників, насосів або вентиляторів і пристроїв для автоматичного контролю й керування. У пасивних системах роль сонячного колектора й акумулятора теплоти зазвичай виконують самі конструкції будинку, що обгороджують, а рух теплоносія (повітря) здійснюється за рахунок природної конвекції.

Геліосистема теплопостачання може працювати ефективно тільки в тому випадку, якщо при розробці конструкції самого будинку враховані вимоги, спрямовані на зниження потреби в тепловій енергії. Це найкраще досягається в так званих надізольованих будинках, що мають гарну теплову ізоляцію стін, стелі, підлоги й практично герметичну конструкцію зовнішніх огороджень. У таких будинках коефіцієнт тепловтрат для стін становить не більше 0,15 Вт/ (м²°С), а неконтрольована природна інфільтрація зовнішнього повітря в будинок характеризується надзвичайно низькою кратністю повітрообміну (0,1 год^-1). Необхідна якість повітря усередині приміщень забезпечується за рахунок регульованої вентиляції (не менш 0,5 год^-1 повітрообміну за годину) з утилізацією теплоти повітря, що видаляється. Загальний коефіцієнт тепловтрат у таких будинках лежить у межах 0,7—1,2 Вт/(м²·К). Тепловтрати будинку частково компенсуються за рахунок тепловиділення людей, електропобутових і освітлювальних приладів і обладнання, що зменшує теплове навантаження опалення приблизно на 1/3.

Загальний ефект надізоляції будинків полягає в скороченні тривалості опалювального періоду й зниженні сумарних річних витрат теплоти. Завдяки цьому зменшується тривалість періоду роботи геліосистеми й підвищуються її техніко-економічні показники, а також річна частка сонячної енергії в покритті теплового навантаження. Одночасно знижується пікове навантаження опалення й у результаті цього зменшується необхідна потужність додаткового (резервного) джерела енергії. Розподіл теплоти між окремими кімнатами може здійснюватися шляхом природної конвекції повітря через відкриті двері.

Другий підхід до зниження теплових втрат будинків складається у використанні високоефективних вікон, наприклад зі спеціальними покриттями на склі або полімерних плівках, розташованих між двома шарами скла. Можуть використовуватися покриття, що забезпечують високу пропускну здатність стосовно сонячної енергії, і покриття з низькою випромінювальною здатністю для теплового випромінювання.

Пасивні геліосистеми опалення будинків. Для опалення будинків використовуються наступні типи пасивних геліосистем:

з прямим уловлюванням сонячного випромінювання, що надходить через засклені поверхні великої площі на південному фасаді будинку або через сонячну теплицю, що примикає до південної стіни будинку (зимовий сад, оранжерею).

з непрямим уловлюванням сонячного випромінювання, тобто з теплоакумулюючою стіною, розташованої за оскленням південного фасаду (стіна Тромба);

з контуром конвекційної циркуляції повітря й гальковим акумулятором теплоти.

Крім того, можуть використовуватися гібридні системи, що включають елементи пасивної й активної геліосистеми.

Рис. 1. Типи пасивних геліосистем опалення будинків: а — із прямим уловлюванням сонячної енергії; б – із прибудованою теплицею; в — з теплоакумулюючою стіною

Пасивні системи складають інтегральну частину самого будинку, що повинний проектуватися таким чином, щоб забезпечувати найбільш ефективне використання сонячної енергії для опалення. Поряд з вікнами й заскленими поверхнями південного фасаду для вловлювання сонячного випромінювання також використовуються засклені прорізи в даху й додаткові вікна у верхній частині будинку, які підвищують рівень комфорту людини, тому що виключають пряме влучення сонячних променів в обличчя. Одне з найважливіших умов ефективної роботи пасивної геліосистеми полягає в правильному виборі місця розташування й орієнтації будинку на основі критерію максимального надходження й уловлювання сонячного випромінювання в зимові місяці.

Пасивні системи прості, але для їхньої ефективної роботи потрібні регулюючі пристрої, що керують положенням теплової ізоляції світлопрозорих поверхонь, штор, заслінок в отворах для циркуляції повітря в теплоакумулюючій стіні тощо.

Пряме вловлювання сонячної енергії може ефективно здійснюватися при дотриманні наступних умов:

1) оптимальна орієнтація будинку — уздовж вісі схід— захід або з відхиленням до 30° від цієї вісі;

2) на південній стороні будинку повинне бути зосереджене не менш 50-70% всіх вікон, а на північній – не більше 10%, причому південні вікна повинні мати двошарове осклення, а північні вікна – тришарове;

3) будинок повинен мати поліпшену теплову ізоляцію й низькі тепловтрати внаслідок інфільтрації зовнішнього повітря;

4) внутрішнє планування будинку повинно забезпечувати розташування житлових кімнат з південної сторони, а допоміжних приміщень — з північної;

5) повинна бути забезпечена достатня теплоакумулююча здатність внутрішніх стін і підлоги для поглинання й акумулювання теплоти сонячної енергії;

6) для запобігання перегріву приміщень у літній період над вікнами повинні бути передбачені навіси, козирки й т.п.

ККД такої системи опалення, як правило, становить 25-30%, але в особливо сприятливих кліматичних умовах може бути значно вище й досягати 60%. Істотним недоліком цієї системи є великі добові коливання температури повітря усередині приміщень.

Пасивні системи прямого вловлювання сонячної енергії мають найменшу вартість для знову споруджуваних будинків. Пасивні системи взагалі мають такий же термін служби, як і сам будинок, і досить низькі поточні експлуатаційні витрати. Використання системи прямого вловлювання сонячної енергії в існуючих будинках зв'язано зі значними труднощами, тому їхнє застосування в цих випадках недоцільно.

Поряд з одержанням теплоти ці системи також забезпечують ефективне використання денного освітлення, завдяки чому знижується споживання електроенергії. Однак площа осклення південного фасаду повинна бути значної, щоб забезпечити необхідну частку сонячної енергії в покритті теплового навантаження, а теплоакумулюючі елементи (теплова маса) повинні бути розміщені в найбільш сприятливих місцях, щоб на них потрапляли сонячні промені більшу частину дня. Варто уникати зайвого перегріву тих зон будівлі, де постійно перебувають люди, а також влучення в них прямих сонячних променів і відблисків. Замість осклення вертикальних стін або поряд з ним може бути використане осклення елементів даху й горищних приміщень, що сполучаються з житловими приміщеннями. При цьому полегшується завдання розміщення теплоакумулюючих елементів, і зменшується затінення теплової маси предметами інтер'єра й екстер'єра.

Найважливіша вимога, що висувається до пасивних систем, полягає в необхідності забезпечення теплового комфорту й регулювання температурного режиму в приміщеннях. У приміщеннях з пасивним використанням сонячної енергії комфорт забезпечується при більш низьких температурах повітря в порівнянні зі звичайними будинками, тому що температура всіх або більшості внутрішніх приміщень вище температури повітря й вони випромінюють теплоту на людину, від чого відчуття комфорту підвищується.

Однак при використанні пасивних систем прямого вловлювання сонячної енергії температура повітря в приміщеннях важко піддається регулюванню через велику теплову інерцію теплоакумулюючих елементів. Раціональне проектування температурного режиму приміщень припускає оптимізацію маси й розміщення кожного із цих елементів, а також використання навісів і козирків, теплової ізоляції світлопрозорих поверхонь у нічний час, автоматично керованих заслінок для організації надходження й видалення повітря, закриття й відкриття вікон, кватирок і фрамуг і т.п.

Пасивні геліосистеми із заскленою теплоакумулюючою південною стіною (стіною Тромбу), пофарбованою в чорний або інший темний колір, відрізняються досить високою ефективністю й можуть мати кілька варіантів конструктивного виконання. Вихідним варіантом є засклена південна бетонна або кам'яна стіна темного кольору, що не має отворів для циркуляції повітря. Проникаюче через одне- або двошарове оскленння сонячне випромінювання поглинається поверхнею стіни, пофарбованою темною матовою фарбою, і акумулюється в масі стіни, що викликає підвищення її температури. Акумульована вдень теплота передається з деяким запізненням усередину приміщень за допомогою випромінювання й конвекції. При товщині бетонної стіни 200 мм запізнювання становить 5 годин.

Більш досконалою є конструкція стіни з отворами на нижньому й верхньому рівнях для циркуляції повітря. При цьому істотно поліпшується передача теплоти в приміщення. Регулювання руху повітря можна здійснювати за допомогою поворотних заслінок. Може також використовуватися вентилятор невеликої потужності. При використанні пасивної геліосистеми з теплоакумулюючою стіною Тромбу відстань між нею й внутрішньою стіною будинку обмежена, тому що ефект променистого опалення поширюється на відстань 5-7 м. Бетонна або кам'яна теплоакумулююча стіна може бути замінена на так звану водяну стіну, що складається із встановлені один на одного резервуарів (бочок) з водою, причому ця система навіть більш ефективна (ККД досягає 35 %), оскільки вода має високу питому теплоємність. Однак цей тип пасивних систем не підходить для районів з холодним кліматом з перевагою похмурих днів у зимовий період.

Система з геліотеплицею (зимовим садом, солярієм або оранжереєю), пов'язаною з південною стіною будинку, може мати ККД близько 60-75 %, але в будинок надходить усього лише 10-30 % кількості сонячної енергії, що падає на осклення теплиці. При значній частці дифузійного випромінювання ККД цієї системи на 5 - 10 % вище, ніж ККД системи прямого вловлювання сонячної енергії.

Активні геліосистеми опалення будинків. До складу активної системи сонячного опалення входять колектор сонячної енергії (КСЕ), акумулятор теплоти, додаткове (резервне) джерело енергії, теплообмінники для передачі теплоти із КСЕ в акумулятор і з останнього до споживачів, насоси або вентилятори, трубопроводи з арматурами й комплекс пристроїв для автоматичного керування роботою системи.

Залежно від виду теплоносія в контурі КСЕ розрізняють рідинні й повітряні геліосистеми теплопостачання. Теплоносієм у КСЕ може бути рідина (вода, 40—50%-ий водяний розчин етилен- або пропіленгликоля, органічні теплоносії тощо) або газ (повітря). Використання повітря дозволяє виключити проблеми замерзання й корозії, трохи знизити вагу установки, але теплотехнічні повітряні системи менш ефективні, ніж рідинні. У більшості експлуатованих геліосистемах теплоносієм служить вода або антифриз. При цьому ККД КСЕ вище, але існує небезпека замерзання й корозії, протікання теплоносія, його перегріву. Теплота в будинку розподіляється за допомогою вентилятора й повітропроводів у повітряних системах або за допомогою випромінюючих панелей, радіаторів і конвекторів, розрахованих на низькотемпературний теплоносій у рідинних системах. Якщо теплове навантаження опалення дорівнює 45—60 Вт/м², то при використанні підлогової системи опалення (поверхня теплоізольованої знизу підлоги обігрівається теплою водою, що циркулює по прокладеним у неї трубам) досить мати температуру води 30 °С, а температуру поверхні підлоги 22—24 °С, щоб у приміщенні температура повітря була 18°С.

Принципові схеми рідинної й повітряної систем сонячного опалення (рис. 2, а і б) містять сонячний колектор, акумулятор теплоти, насоси (вентилятори), додаткове джерело енергії, арматуру, що регулює та прямий й зворотний трубопроводи (повітропроводи).

Рис. 2. Принципові схеми водяної (а) і повітряної (б) активних систем сонячного опалення:

1 — колектор сонячної енергії; 2 — акумулятор теплоти; 3 — додаткове джерело енергії; 4 — насос (вентилятор); 5 — регулювальний клапан; в-подача нагрітого теплоносія; 7 — повернення охолодженого теплоносія

Основне й допоміжне устаткування геліосистеми, включаючи акумулятор теплоти, теплообмінники, насоси, тепловий насос, додаткові підігрівники для гарячої води й опалення, тобто всі, крім сонячного колектора, що встановлюється на даху, може розміщатися в підвалі дома або прибудові.

Порівняння активних і пасивних геліосистем дає можливість виявити їхні переваги й недоліки. Переваги активних геліосистем пов'язані з легкістю й гнучкістю інтегрування системи з будинком, можливістю автоматичного керування роботою системи і зниженням теплових втрат. Однак при застосуванні активних геліосистем часто виникають проблеми, обумовлені недостатньою надійністю обладнання, у тому числі системи автоматичного керування, неправильними його установкою й монтажем, поганим технічним обслуговуванням, небезпекою замерзання й корозії, особливо в системах з рідинним колектором сонячної енергії. Істотним недоліком цих систем є їх висока вартість. На відміну від них пасивні системи прості, надійні в роботі й недорогі, але вони також мають недоліки. Насамперед виникають труднощі з підтримкою температурного режиму, необхідного для забезпечення теплового комфорту в опалювальних приміщеннях. Так, у системах із прямим уловлюванням сонячної енергії через недостатню масу теплоакумулюючих елементів і їхнього неправильного розміщення виникають сильні коливання . температури в приміщеннях. При використанні стіни Тромбу можуть мати місце великі витоки теплоти назовні, якщо в нічний час не закривати засклені поверхні тепловою ізоляцією. У той же час будівлі з геліотеплицею влітку можуть зазнавати перегріву. У гібридних системах можна з'єднати переваги активних і пасивних елементів і усунути багато недоліків, підвищивши тим самим ефективність систем при помірних капіталовкладеннях.

Застосування в сучасних сонячних будинках систем для використання сонячної енергії визначає особливості їхньої архітектури, позначається на орієнтації будинку, положенні його елементів щодо південного напрямку й площини горизонту, визначає вибір матеріалів і конструкцій огороджень і т.п.

При будівництві житлових будинків, у яких передбачається використання сонячної енергії для опалення, необхідно враховувати наступні положення:

сонячний будинок повинен бути спроектований таким чином, щоб забезпечувалося максимально можливе вловлювання сонячної енергії в холодну пору року й мінімальне її надходження усередину будинку влітку;

будинок повинен мати невеликі теплові втрати, що забезпечується застосуванням поліпшеної теплової ізоляції в стінах, підлозі, стелі, а також зменшенням неконтрольованого надходження холодного зовнішнього повітря й організацією примусової регульованої вентиляції для підтримки необхідного теплового та вологісного режиму приміщень;

по можливості сонячний будинок не повинен мати вікон у північній стіні, а якщо цього уникнути не вдається, то їхня площа повинна бути невеликою;

в індивідуальному будинку північна стіна може бути повністю або частково засипана землею (постійно або тільки взимку), те ж стосується (у меншій мірі) до східних і західних стін;

втрати теплоти через вікна в нічний час можуть бути істотно знижені завдяки застосуванню ставень або в крайньому випадку щільних штор;

втрати теплоти внаслідок проникнення холодного повітря повинні бути зведені до мінімуму шляхом ущільнення всіх щілин і устрої тамбура у вхідних дверей;

сонячний будинок повинен мати компактну двох-триповерхову конструкцію, щоб наблизитися до оптимального співвідношення його об'єму й зовнішньої поверхні.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Умови забезпечення соціально-психологічної сумісності працівників	\|	АКУМУЛЯТОРИ ТЕПЛОТИ

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.022 сек.