Энергия

ЗДАНИЕ КАК СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР

Общую потребность в отоплении можно уменьшить, проекти­руя здание таким образом, чтобы поступление тепла увеличива­лось за счет инсоляции (облучения солнечной радиацией) и уменьшалось в жаркую погоду. Обычно поступление солнечно­го тепла при расчете сезонного предложения и спроса на отопле­ние не учитывалось. Когда инженеры определяют размер отопи­тельного агрегата, они обычно делают расчет на самые холодные условия, когда солнце скрыто облаками. В этом есть логика, од­нако инженеры-строители должны при этом и проявлять заинте­ресованность в сокращении общего сезонного потребления энер­гии на отопление. К сожалению, до сих пор большинство исследований в области солнечного теплоснабжения касалось в основном поисков путей уменьшения расхода энергии на ох­лаждение и получения льда в жаркую погоду, а не уменьшения расхода энергии на отопительные нужды в холодную погоду. Данные по отоплению всегда трудно поддаются обработке в про­цессе проектирования. Создание методик по этому вопросу, по­лезных при проектировании, проводилось ранее и будет рас­смотрено в этой книге, и дальнейшее развитие этих работ принесет несомненную пользу в деле поиска средств решения наших энергетических проблем. ^

Пожалуй, наилучший путь использования солнечной энергии для отопления связан с нахождением возможностей восприни­мать ее через поверхность крыши, стен и через окна здания. Утепленные крыши и стены исключают такую возможность. Од­нако если крыши и стены не имеют изоляции, как в случае кры­

тых железом легких бараков, они хотя и не пропускают непо­средственно солнечные лучи, будут нагреваться, проводить и излучать значительное количество тепла в здание.

Цвет крыш и стен влияет на количество тепла, поступающего в здание, так как темный цвет обычно поглощает больше энергии солнечной радиации, чем светлый. Цвет особенно важен, когда применяется мало изоляции или она не применяется вовсе, одна - го его влияние уменьшается при увеличении количества изоля­ции. В условиях теплого и жаркого климата наружные поверхно­сти здания, обращенные к солнцу, должны быть светлого цвета; в условиях прохладного и холодного климата такие поверхности должны быть темными. Поступление тепла через такие светоне­проницаемые поверхности, как крыши и стены, более подробно рассмотрено ниже.

Поскольку интенсивность солнечной радиации, падающей на неодинаково ориентированные поверхности, меняется, важно стены и крышу здания ориентировать так, чтобы тепловая энер­гия солнечного излучения зимой поглощалась, а летом отража­лась. Генри Никколис Райт рассмотрел эту возможность в книге «Вклад солнечной радиации в летнее охлаждение и зимний обо­грев жилых зданий» [12]. Некоторые его выводы, касающиеся Нью-Йорка, можно суммировать следующим образом:

максимальная плотность потока солнечной радиации на уровне земли составляет 1100 Вт/м2;

этот уровень максимальной плотности потока солнечной ра­диации характерен для всех сезонов года, несмотря на то что Солнце зимой находится ниже на небосклоне, чем летом. Это, в частности, объясняется более низкой влажностью воздуха зи­мой (меньшим атмосферным поглощением). Кроме того, зимой Земля находится ближе к Солнцу;

эффективность облучения солнечной радиацией стены, обра­щенной на юг, зимой почти в пять раз выше, чем летом;

эффективность облучения солнечной радиацией стены, обра­щенной на запад и северо-запад летом, в шесть раз выше, чем зимой; :*v j

наибольшее эффективное облучение солнечной радиацией вертикальных стен имеет место зимой, поэтому в домах, обра­щенных фасадом на юг и юго-запад (обычно большинство основ­ных помещений дома и больших окон размещается на этой сто­роне), и при небольшой площади окон, выходящих на запад и се­веро-запад, гораздо легче охлаждать летом и легче отапливать зимой, а также добиваться в этих домах комфортных условий.

Рисунок 2.2. [12] понятен без дополнительных пояснений. Сравниваются условия солнечного облучения домов с наихудшей и с наилучшей ориентацией. Виктор Олгиэй в своей книге «Про­ектирование с учетом климата» пишет, что Райт пользовался «завышенными значениями в своих расчетах радиации», хотя принципы его исследования, по всей видимости, правильны.

35

Ёольшинство других теоретиков по вопросу ориентаций предла­гают главный фасад здания ориентировать в пределах 30° от направления прямо на юг, т. с. в конусе между югом и юго-восто­ком, югом и юго-западом. При этом считается, что ориентация на юг предпочтительна. Конечно, ориентация па юг наиболее существенна для окон, чем для стен, потому что через окна по­ступает значительно большее количество тепла, чем через стены. Это обстоятельство обсуждается ниже.

Олгиэй против того, чтобы делать выводы, общие для всех местоположений. Он выступает за введение в практику расчетов понятия солнечно-воздушная температура, полезного в качестве некоторого параметра при нахождении оптимальной ориентации (в книге «Проектирование с учетом климата» приводятся под­робные объяснения по этому поводу). Ориентация непосредст­венно на юг может нс быть оптимальной для всех местоположе­ний, но почти всегда будет лучше, чем на 30° к востоку или к за­паду от него.

Для здания весьма важна его ориентация. По аналогичным причинам важны также и соотношения его длины, высоты и ши­рины. Здание оптимальной формы теряет в окружающую среду минимальное количество тепла и получает максимум тепла от Солнца зимой, а летом поглощает наименьшее количество сол­нечного тепла. Олгиэй [8] показал, что:

в высоких широтах (выше 40° с. ш.) южные стороны зданий получают почти в два раза больше энергии солнечной радиации зимой, чем летом. Восточные и западные стороны получают этой энергии в два с половиной раза больше летом, чем зимой;

в низких широтах (ниже 35° с. ш.) южные стороны получают солнечную энергию зимой даже больше, чем летом. Восточные и западные стены могут получить солнечное тепло в два или три раза больше, чем южные стены летом;

для. Xopoulo изолированных зданий и зданий с затеняющими устройствами с южной стороны это расхождение еще больше, а для зданий с небольшими или полностью затененными окна­ми — меньше;

«квадратный дом для любого местоположения не является оптимальным»;

все формы зданий, удлиненных в направлении север — юг, ме­нее эффективны по сравнению с квадратными как для зимних, так и для летних условий;

более оптимальной формой в любой сезон является удлинен­ная в направлении восток—запад.

Кроме соображений экономии энергии при проектировании могут приниматься во внимание и другие факторы, касающиеся формы здания. Некоторые из них также оказывают влияние как на экономию энергии и ресурсов, так и на окружающую среду. Например, ориентация и размер стройплощадки могут не соот­ветствовать оптимальной форме здания, так как назначение зда­ния может потребовать других форм. Если, например, необхо­димо естественное освещение, то может потребоваться большая площадь наружных периметральных поверхностей для устрой­ства оконных проемов.

Оденка различия в уровне поступления солнечного тепла для зданий с разной ориентацией фасадов может помочь при выборе формы и ориентации здания и размещении оконных проемов. Ориентацию зданий обычно можно классифицировать по четы­рем планировочным схемам (рис. 2.3). Для этих четырех ориен­таций рассмотрены три основных варианта конфигураций фаса­дов и планов зданий:

1. Здание имеет примерно равные по площади фасады и пред­ставлено в плане квадратом.

2. Здание имеет фасады разных площадей (в соотношении 1,5:1 или более); длинная ось прямоугольника расположена в направлении стран света.

3. Здание имеет фасады разных площадей (в соотношении 1,5:1 или более); короткая ось прямоугольника расположена в направлении стран света.

На рис. 2.4 показаны сочетания различных ориентаций, форм и площадей пола и стен. Приведенные величины следует рас­сматривать как относительные, поскольку расчет проводился с помощью актинометрических данных, взятых из двух источни­ков — «Справочника основных положений» Американского об­щества инженеров по отоплению, холодильной технике и конди­ционированию воздуха, и из информации, предоставленной фир­мой «Кулшейд корпорейшн». В обоих источниках данные приво­дятся для разных широт.

В «итоговом» столбце рис. 2.4 здание с длинной осью, ориен­тированной в направлении восток—запад, имеет большие потен­циальные возможности для восприятия солнечного тепла в янва-

Рис. 2 3. Возможные ориентации и конфигурации дома при определении солнечного тепла

Ряс. 2.4. Относительная инсоляция 21 января 40° с. ш. с использованием коэффициентов поступления солнеч­ного тепла (кДж / день / единица площади) из «Справочника основных положений» Американского общест­ва инженеров по отоплению, холо­дильной технике и кондиционирова­нию воздуха

а —■ размеры здания, относительные пло­щади стен и пола; / — вариант А; II — вариант В и вариант С; III — вариант двойной В и вариант двойной С

ре (3386 кДж/день на единицу площади), чем такое же здание, ориентированное по оси север—юг (2814,9), или квадратное здание. В итоге ориентация на восток—запад для всех вариан­тов является наилучшей. Наихудшая форма и наименее выгодная ориентация представлена квадратом с фасадами, обращенными на северо-восток, северо-запад, юго-восток и юго-запад.

В результате удвоения площади первого этажа оптимальное поступление тепла на уровне 3386 кДж/день, увеличивается на одну треть до 4865 кДж/день, так как площадь периметра так­же увеличивается только на одну треть. Если площадь пола удвоить, добавив второй этаж, то площадь периметра удвоит­ся, а следовательно, и поступление солнечного тепла увеличит­ся до 6772 кДж/день. Здесь не учитывались цвет стен, нагрев крыши, варианты расположения окон и их размеры, тепловые потери здания и влияние окон, предусмотренных только для естественного освещения. В более подробном анализе следовало бы также учесть реальные погодные условия. Тем не менее такой упрощенный подход полезен для определения относительных ве­личин поступления солнечной энергии при принятии предвари­тельных решений.

Хотя цвет, ориентация и форма здания играют существенную роль для увеличения поступления солнечного тепла, однако наи­более важным фактором в этом отношении являются окна. В давнее время проемы в жилищах не имели такой роскоши, как стекло. Они служили для прохода людей с предметами их оби­хода, для поступления воздуха, обеспечивая естественную вен­тиляцию, и для проникновения естественного света внутрь зда­ния. Но при этом свободный доступ в жилище имели животные и насекомые. Трудно было регулировать внутреннюю темпера­туру, невозможно было регулировать движение воздуха, контро­лировать его чистоту и влажность.

Хотя стекло, по-видимому, существовало еще в 2300 г. до н. э., оно стало применяться в окнах только в нашу эру. Но лишь в по­следние 75 лет стало экономически и технологически возможно изготавливать и вставлять в окна стекла со стороной более 300 мм. По мере совершенствования технологии и экономичности процесса изготовления стекло стало все чаще применяться для замены традиционных сплошных (каменных или деревянных) наружных стен. Сопровождающие это замещение проблемы час­то игнорировались или недооценивались при проектировании.

Наряду со снижением расхода необходимой для освещения электроэнергии стекло, открытое солнечному свету, пропускает и тепло (рис. 2.5). Экспериментальные дома, стены которых об­ращены на юг, выполнены в основном из стекла и спроектирова­ны в энергетическом отношении весьма удачно. Экономия тепла в доме близ Чикаго, спроектированном Дж. Ф. Кеком и постро­енном на средства Иллинойсского технологического института, может достигать 18%. Дом настолько хорошо воспринимает сол-

нечное тепло, что перегревается в ясные зимние дни [11]. В дру­гих «солнечных» домах, как сообщают, экономия затрат на отопление достигает 30%. Все это в основном объясняется удач­ным использованием парникового эффекта. Стекло свободно пропускает коротковолновое световое излучение, как это показано на рис. 2.6, но неохотно пропускает в обратном направлении длин­новолновое тепловое излучение, испускаемое нагретыми солнеч­ными лучами поверхностями, находящимися внутри предметов.

Проектировщик должен уметь определять графически, сколь­ко полезных килокалорий солнечной энергии поступит в помеще­ние через стену или окно. В «Справочнике основных положений» Американского общества инженеров по отоплению, холодильно­му делу и кондиционированию воздуха имеются обширные таб­лицы по поступлению солнечного тепла для 24, 32, 40, 48 и 50° с. ш. на 21-й день каждого месяца. Однако проектировщику бу­дет трудно пользоваться этими таблицами для определения поступления солнечного тепла в целях отопления (таблицы пред­назначены для определения размеров охлаждающего оборудова­ния). Основные способы учета поступления солнечного тепла через окна рассматриваются в разделе ресурсов под тем же названием.

Большая работа по реализации идеи солнечного дома была проделана Ф. У. Хатчинсоном в университете Пурдью. В 1945 г., благодаря субсидии фирмы «Либби-Оуэнс-Форд гласе компани» были построены два рядом стоящих, почти одинаковых дома. Единственная разница между ними заключалась в том, что в од­ном из домов застекленные поверхности были в большей степени ориентированы на юг (два оконных стекла толщиной б мм, раз­деленные воздушным промежутком 12 мм) [1], По результатам

испытаний этих двух домов Хатчинсон в мае 1947 г. сообщил, что «зарегистрированное количество поступающего через окна с двойным остеклением южных стен домов солнечного тепла в большинстве городов США более чем достаточно, чтобы ком­пенсировать неизбежные потери при пропускании через сте­кло» [2].

Такая конструкция обращенных на юг окон связана с требо­ванием, чтобы теплоемкость внутреннего пространства здания была достаточно большой, чтобы поглощенное избыточное тепло эффективно сохранялось, а помещения не требовали проветри­вания. Чем лучше качество изоляции стен и окон, тем меньше тепла будет потеряно при теплопередаче и тем больше должна быть теплоемкость помещения в целом. На рис. 2.7 показано, что температура воздуха внутри помещения в неотапливаемом солнечном доме 15 января была около 27° С при температуре на­ружного воздуха ниже нуля.

Следует подчеркнуть, что большие площади остекления дей­ствительно влекут за собой большие первоначальные затраты на отопительную систему из-за дополнительных потерь тепла через стекло, которое заменило собой сплошную непроницаемую стену. Кроме того, для данной широты местности общее количество по­ступающей солнечной радиации не меняется, несмотря на облач­ность, и тепловые потери зависят только от наружной температу­ры. Поэтому применение остекления большой площади в мягком климате обеспечивает большие возможности для снижения по­требности в сезонном отоплении, чем в холодном климате на той же широте.

Выше в этом разделе указывалось, что количество солнечной энергии, поступающее через обращенное на юг окно в средний солнечный день, зимой больше, чем в средний солнечный день летом. Это объясняется рядом причин.

1. Несмотря на то что продолжительность светового дня ле­том больше, чем зимой, количество часов возможного освещения солнцем окна, выходящего на юг, зимой больше, чем летом. На­пример, на 35° с. ш. 21 июня продолжительность солнечной инсо­ляции может составлять 14 ч. Однако солнце появляется с северо­востока после 8 ч 30 мин и уходит на северо-запад после 15 ч 30 мин; таким образом, непосредственное прямое освещение Сол­нцем обращенной на юг стены длится всего лиш(> 7 ч. Однако 21 декабря Солнце освещает южную стену полные 10 ч, т. е. все время, пока оно находится над горизонтом.

2. Плотность потока солнечной радиации на плоскости, пер­пендикулярной солнечным лучам, летом и зимой примерно оди­накова. Потери энергии солнечной радиации при прохождении лучей через атмосферу компенсируется тем, что зйМой Солнце ближе к Земле, чем летом.

3. Поскольку зимой Солнце находится ниже наД горизонтом, его лучи направлены в окна под более прямыми углами, чем ле­том, когда Солнце находится на большей высоте. На 35° с. ш. за средний зимний час на 1 м2 окна может поступить 150 единиц энергии; летом эта цифра будет равна 100 единицам-

4. Излучение зимнего неба (из-за рассеивающего эффекта атмосферы) в два раза превышает излучение летнего неба.

5. Чем ближе к прямому углу угол падения солнечных лучей на окно, тем выше общий коэффициент пропусканий - Зимой этот коэффициент выше, чем летом.

6. При правильном затенении окно можно закрыть от боль­шей части прямого летнего солнечного излучения.

Вывод Хатчинсона состоит в том, что зимой через выходящие на юг окна поступает в два раза больше солнечной радиации, чем летом. А если летом окна затенить, то разница оказывается еще большей.

Исключительно полезный график, составленный Хатчинсо­ном, воспроизводится в разделе «Поступление солнечного тепла через окна». Он может быть использован в процессе проектиро­вания для приближенного определения количества солнечного тепла, поступающего через обращенные на юг окна в течение 7 мес. Вывод, который можно сделать, состоит в том, Что влияние типа окна и широты местности относительно невелико по сравне­нию с влиянием температуры наружного воздуха и ^стабильно­стью солнечной погоды. Эти две величины можно найти в табл. 1. В графе 1 приводится величина F, которая представляет собой отношение среднего числа часов солнечного сияния в течение отопительного сезона (с Іоктября по 1 мая) к максимально воз­можному числу солнечных часов. В последних двух столбцах представлены потери энергии через одинарное и двойное остек­ление; значения этих потерь необходимы при определении па-

раметров отопительной установки здания и в меньшей степени они важны при определении эксплуатационных расходов.

В графах 4 и 5 приведено полезное поступление энергии (от­рицательная величина обозначает потерю) на 1 м2 одинарного или двойного остекления. Для всех 48 городов поступление энер­гии через двойное остекление положительно (потери через оди­нарное остекление для некоторых городов могут быть сравнимы с соответствующими потерями тепла через стены). Сезонное по­ступление тепла в первом приближении является произведением величины в графе 4 или 5 на площадь окна и на количество часов отопительного сезона. Разумеется, имеется много дней, когда все это тепло невозможно использовать. Кроме того, нередко шторы или задернутые занавески уменьшают поступление солнечной энергии в помещение. Применение таких средств, как изолирую­щие ставни, закрывающие окна на ночь, существенно снижают потери тепла и увеличивают общий уровень полезного поступле­ния тепла. В приведенных данных не учитывается поступление солнечной радиации на южные стеньг. Работа Хатчинсона пока­зала, что этот фактор может оказаться существенным только в том случае, если стена не имеет достаточно хорошей изоляции.

Поступление тепла и потери тепла через окна, рассматривае­мые в разделе «Здание как тепловая ловушка», зависят от типа оконной рамы. Рисунки 2.8 и 2.9 взяты из исследования, прове­денного в Национальном бюро стандартов. Они показывают относительную разность уровня потерь и поступления тепла че­рез алюминиевые и деревянные оконные рамы, ориентированные на четыре стороны света: север, восток, юг и запад. Для окон с деревянными рамами по сравнению с алюминиевыми умень­шение летнего поступления тепла и зимних потерь тепла являет­ся весьма существенным. Таким образом, для новых зданий целе­сообразно применять дерево. Замена оконных рам в существую­щих зданиях также имеет смысл. Кроме того, получение алюми­ния требует большого расхода энергии.

Для экономии энергии имеет также значение и тип стекла. Все типы стекла — прозрачное, теплопоглощающее или отража­ющее — теряют примерно одинаковые количества тепла из-за теплопроводности. Однако количества солнечного тепла, которые передаются этими тремя типами стекла, сильно различаются. Рассмотрим схемы и сводную таблицу «Относительные полезные поступления тепла» для различных конфигураций одинарного и двойного остекления (рис. 2.10—2.17 и табл.2). Поступление тепла представлено не абсолютными, а приближенными величи­нами для условий одного из солнечных дней. Чтобы уменьшить летнее поступление тепла через окна с двойным остеклением, отражающее стекло должно быть обращено наружу, а прозрач­ное стекло — внутрь. Это также уменьшает потери тепла зимой. Следует отметить, что поступление солнечного тепла зимой будет существенно уменьшено, если положение этих двух слоев ст-екла

а,

б)

Шта

ІШ&ЯЯУЩ-

чоо

Рис 2 8 Летнее поступление тепла в зависимости от материала окон­ных рам Г61

а — алюминиевая оконная рама / — обращенная на север, 2 — обращенная на восток 3 — обращенная на юг, 4—обращенная на запад, б — деревянная окон ная рама площадь окна 0 93 м2 (без учета потерь через стекло), 5 — скорость вет ра 24 км/ч, 6 — безветренно

а)

1000 2000 3000

В течение дня, кДж/день1окно

Рис 2 9 Потери тепла в течение зимнего дня в зависимости от мате­риала оконных рам Г61

й алюминиевая оконная рама 1 — обращенная на север. 2 — обращенная на восток, 3 — обращенная на юг, 4—обращенная на запад, б — деревянная оконная рама, площадь окна 0,93 М2 (без учета потерь через стекло), 5 — безветренно, £*— скорость ветра 24 км/ч

Рис 2 10 Поступление солнечного тепла через прозрачное стекло, одинарное остекление Коэффициент затенения 1, коэффициент отражения 0,08

1 — полезное поступление, 2 — отражение 3 — поток за счет теплопроводности

Рис 2 11. Поступление солнечного тепла через теплопоглощающее стекло, одинарное остекление Коэффициент затенения 0,5, коэффициент отражения 0,4

Рис 2 14 Поступление солнечного тепла через теплопоглощающее стекло, двойное остекление Теплопоглощающее стекло коэффициент затенения 0,50, прозрачное стекло коэффициент затенения 1, коэффициент отражения 0,08 а — предпочтительное положение летом б — предпочтительное положение зимой 1 — теп лопоглощающее стекло 2 — прозрачное стекло 3 — поток за счет теплопроводности (около половины количества тепла передаваемого через одинарное остекление)

Рис 2 15 Поступление солнечного тепла через теплопоглощающее стекло, двойное остекление

а — нежелательное положение летсм б — то же зимой / — прозра4ное стекло 2 — теп лопоглощающее стекло

Рис 2 16 Поступление солнечного тепла через отражающее стекло, двойное остекление

/ — отражающее стекаю 2 — прозрачное стекло, 3 — полезное поступление

Рис 2 17 Постатейне солнечного тепла через отражающее стекло, двойное остекление

а — нежелательное положение летом, б — то же, зимой, / — прозрачное стекло, 2 — от­ражающее стекло

будет противоположно летнему положению, т. е. прозрачное стекло снаружи, а отражающее стекло внутри (рис. 2.16).

Если требуется увеличить поступление тепла и предельно уменьшить потерю тепла зимой, то необходимо использовать два слоя прозрачного стекла. Такие стекла могут пропускать значи­тельные количества солнечного тепла летом, при этом наличие затеняющих средств, таких, как деревья, навесы и подъемные жа­люзи, может снизить потребность в применении отражающих или теплопоглощающих стекол. Это дорогостоящее стекло целесооб­разно применять лишь для окон, выходящих на восток или на запад, поскольку такие окна обычно труднее затенять, чем окна, обращенные на юг (окна, обращенные на север, не требуют за­тенения, за исключением южных районов страны, где летом та­кие окна хорошо освещаются солнцем на восходе и на закате). Например, в Нью-Йорке через обращенные на восток и запад окна зимой поступает мало тепла, а весной и осенью — много; теплопоглощающие или отражающие стекла могут обеспечить комфорт в тот период, когда применение прозрачных стекол при­водит к перегреву.

Не менее важным, чем обеспечение наилучших условий по­ступления солнечных лучей в дом в одно время года, является "И исключение такого поступления в другое время года. Для многих

климатических районов прекращение доступа в помещения сол­нечного тепла в период наиболее жаркой погоды имеет на прак­тике большее значение для обеспечения комфортных условий для людей, чем обеспечение поступления этого тепла в холодную по­году. Применение разных типов стекла при различных положе­ниях Солнца является одним из способов обеспечения затенения. Для многих районов страны, где уменьшение поступления тепла в помещения крайне необходимо, применение теплопоглощаю­щих и отражающих стекол может принести пользу, особенно на восточных и западных фасадах.

1.Такие стекла уменьшают поступление солнечного тепла, что одновременно является недостатком для зимних условий и достоинством для летних.

2. За исключением особых условий, требующих снижения ин­тенсивности яркого солнечного света, отражающие и теплопогло­щающие стекла при ориентации на север, север—северо-восток и север—северо-запад практически не требуются. На эти фасады поступает мало солнечного тепла, за исключением местностей к югу от 30° с. ш., где применение такого стекла может быть це­лесообразно.

3. Почти на всех широтах, за исключением областей к северу от 40° с. ш., теплопоглощающие и отражающие стекла для обра­щенных на юг окон обычно не предусматриваются (за исключе­нием возможности использования зимнего солнечного тепла, что бывает необходимо, например, для больших административных зданий). Поступление тепла через обращенное на юг остекление летом сравнительно невелико (рис. 2,18).

4.Более практичным решением, как альтернатива примене­нию теплопоглощающих или отражающих стекол для южной, юго-восточной и юго-западной ориентаций, является использова­ние растительности и регулируемых затеняющих устройств. За­теняющие устройства снаружи здания наиболее эффективны; устройства между двумя слоями остекления (такие как подъем­ные жалюзи) несколько уступают им по эффективности; внутрен­ние устройства, как, например, ставни, шторы и занавеси, наи­менее эффективны, поскольку они преграждают путь солнечным лучам только после того, как они проникли в здание (рис. 2.19).

5. Реклама теплопоглощающих и отражающих стекол отме­чает, что этот материал уменьшает как первоначальную стои­мость оборудования для кондиционирования воздуха, так и за­траты на его эксплуатацию, особенно в части расхода энергии. Однако экономия обычно определяется в результате сравнения затрат с соответствующими данными для зданий с ограждающи­ми конструкциями, выполненными из стекла, а не с данными для зданий, уже спроектированных с учетом мероприятий по эконо­мии энергии. При этом не отмечается, что существенная эконо­мия может быть достигнута, если вместо стеклянных стен ис­пользовать непрозрачные, хорошо изолированные стены с умень-

Рис. 2.19. Возможные положения за- теняющих устройств а — снаружи; б — между стеклами, в — внутри; 1 — наружный козырек (только с южной стороны); 2 — подъемные жалюзи, 3 — наиболее эффективный вариант, 4 — наименее эффективный вариант

i_ iU - і-

Рис. 2 20 Варианты длины козырьков

1 — не больше указанной длины, позволя ющей солнечному теплу проникать полно стыо с 21 сентября по 21 марта (целесо образен в холодном климате). Короче ука­занной длины — для обеспечения поступ­ления тепла без затенения с 21 марта по 15 мая (целесообразен в районах с холод­ной весной), 2— не меньше указанной длины для полного затенения 21 июня Не больше указанной длины для поступления солнечных лучей без затенения 21 декаб­ря Короче показанного для полною про­пускания 1 ноября, 3 — не короче показан­ного для полного затенения с 15 мая по 30 июля. 4~ то же, с 21 марта по 21 сен­тября (полное пропускание означает, что окно полностью открыто солнечным лу­чам, когда высота солнца над горизонтом наибольшая. Полное затенение означает, что окно находится полностью в тени, когда высота солнца над горизонтом наи­большая Фиксированное затеняющее уст­ройство не может обеспечить требуемого затенения во все времена года В какой-то степени поможет решить проблему козырек изменяемой длины или трехпозиционный навес Другими решениями могут быть регулируемые жалюзи, подвижные навесы и решетки с вьющимися растениями)

/ — угловая высота Солнца, 2 —угол падения; 3 — здание; 4 — солнечный азимутальный угол; 5 — солнечный азимутальный угол по отношению к стене

ление солнечного тепла нежелательно, создает такую же тень, как 21 марта, в день весеннего равноденствия, когда погода хо­лоднее и использование солнечного тепла желательно. Использо­вание затенения от растительности, которое более точно следует солнечным временам года, более выгодно в течение всего года: 21 марта, когда листва отсутствует или ее немного, солнечное тепло легко проникает без преград: 21 сентября листва еще не опала, и тем самым обеспечивается необходимая тень (рис. 2.20). Определение наиболее выгодного угла затенения рассматривает­ся в разделе «Углы падения солнечных лучей и затенение».

Применение регулируемых затеняющих устройств дает еще большие возможности (рис. 2.22). Однако устройства, которые крепятся снаружи здания, трудно содержать в должном порядке, и они постепенно портятся. Попытки сделать их более долговеч­ными, как правило, не увенчиваются успехом. Кроме того, они должны иметь такую конструкцию, которая была бы проста в управлении; таким образом, людей нужно поощрять к участию в создании для себя удобной и комфортной окружающей среды (такое поощрение распространяется на регулирование затенения окон, уровня температуры, освещенности и других параметров условий в помещении).

Регулируемое затенение, расположенное между двумя стек­лами окнй, не так эффективно, как наружные устройства, но бо­лее эффективно, чем внутренние. Такие межрамиые устройства, как подъемные жалюзи, часто весьма дороги, их обычно доволь­но сложно ремонтировать и чистить. Такие внутренние затеняю­щие устройства, как закатываемые шторы, занавеси и подъем­ные жалюзи, являются наименее эффективными средствами, но они, пожалуй, наиболее удобны для использования людьми, на­ходящимися в здании (рис. 2.19).

а —солнца нет б —солнечная по года 1 — отражающая поверх ность 2 — элемент жалюзи запої ненный изоляцией 3 — верхняя ем кость заполнена 4 — нижняя ем кость пуста 5 — солнце в — тепло (прохлада) отражается назад в

помещение 7 — верхняя емкость пуста S —нижняя емкость запол пена

Рис 2 24, 2 25 2 26 Некоторые другие области применения си­стемы «Скайлид»

I — пилообразная крыша 2 — юг 3 — фонарь верхнего света 4 — плавательный бассейн — теплица — внутренний дворик 5 — жилой ин терьер

Регулируемое затеняющее устройство «Скайлид» приводится в действие с помощью энергии Солнца Такое жалюзийное уст­ройство, созданное фирмой «Зоумуоркс корпорейшн», г Альбу­керке, шт. Нью-Мексико, находится внутри здания (для защиты от атмосферных воздействий). Все элементы жалюзи поворачи­ваются одновременно в открытом положении они пропускают солнечные лучи, а в закрытом не пропускают, изолируя окно и сохраняя внутри тепло (или прохладу). Но одном из жалюзий­ных элементов смонтированы две емкости, соединенные неболь­шой трубкой Между емкостями протекает фреон, расширяясь и сжимаясь в зависимости от температуры, которая определяет­ся главным образом солнечным теплом, попадающим на высту-

Рис 2 27 Углы падения солнечных лучей для различных дат и часов, 40° с ш

а — западный фасад 16 ч 00 мин (солнечное время) б —восточный фасад 8 ч 00 мин (солнечное время) в — южный фасад 8 ч 00 мин (солнечное время) г — юж ный фасад полдень (солнеч нос время)

г

пающую наружу емкость. Когда солнце нагревает фреон, из вы­ступающей наружу емкости он перетекает в другую, уравновеши­вая жалюзийные элементы и заставляя их закрываться Кроме автоматического управления жалюзи можно регулировать с по­мощью ручного рычага Зимой система работает в обратном по­рядке солнце заставляет жалюзи открываться в солнечные часы и закрываться ночью, удерживая тепло в помещении (рис с 2 23 по 2 26)

Очень трудно зйтенять обращенное на восток и запад остекле­ние, потому что высота солнца над горизонтом мала как летом, так и зимой (рис. 2.27). Работа козырьков летом, когда они дол­жны препятствовать проникновению солнца в помещение, неиа много эффективнее, чем зимой Пожалуй, наилучшим средством для затенения в этом случае являются вертикальные жалюзи или подобные им элементы, но можно подумать и об использова­нии отражающих и теплопоглощающих стекол

Один из методов достижения эффективного затенения заклю чается в том, что обращенное на восток и запад остекление целе­сообразно переориентировать на север или на юг При ориента­ции остекления на север будет пропускаться только непрямой свет, создающий благоприятное освещение для жизни и работы человека А при ориентации остекления на юг обеспечивается поступление солнечного тепла зимой. Показанный на рис 2 28 метод ориентации остекления на юг также обеспечивает полное затенение летом На рис 2 29 показаны другие конфигурации вы­ходящих на юг окон.

0>5'

Рис 2 28 Пилообразное расположе­ние окон на западном фасаде здания, обеспечивающее поступление солнеч­ного тепла зимой, но исключающее летом 1 — выступ здания 2 — Наружный выступ 3 — верхний экран 4~ наружная стена 5 — регулирующая тепловой поток штора 6 — двойное остекление, 7 — боковое за тенение 8 — план 9 — вид сбоку

Рис 2 29 Некоторые конфигурации затенения для окон, обращенных на юг

Понятие коэффициента затенения имеет важное значение при сравнении относительной эффективности различных затеняю­щих устройств Одинарный слой прозрачного стекла повышенной прочности имеет коэффициент затенения 1. Коэффициент затене­ния для любой другой системы остекления с использованием за­теняющих устройств представляет собой отношение поступления солнечного тепла через эту систему к поступлению солнечного тепла через стекло двойной прочности Таким образом, поступле­ние солнечного тепла через системы остекления является произ­ведением их коэффициентов затенения на коэффициенты поступ­ления солнечного тепла, указанные в «Справочнике основных положений» Американского общества инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха для про­зрачного стекла двойной прочности. На рис 2 30 представлены некоторые типичные коэффициенты затенения для различных способов изменения затененности.

В крупных зданиях, площадь наружной поверхности которых значительно меньше полезной площади пола, часто имеет место выделения большого количества внутреннего тепла, получаемого

в результате деятельности людей, освещения и работы оборудо­вания. Часто такие здания требуют кондиционирования воздуха круглый год, особенно летом, но иногда и зимой. Для таких зданий наиболее целесообразно применять стекла, которые зате­нены все 12 мес в году, а не только летом Конечно, нужно пред­принять все возможные меры, чтобы уменьшить количество теп­ла, выделяемого в этих зданиях людьми, освещением и маши­нами. Зависимость от искусственного освещения должна быть уменьшена за счет более широкого применения естественного ос­вещения (через окна), снижения общего уровня искусственного освещения и применения светильников непосредственно там, где требуется свег (местное освещение).

Проектировщики также должны учитывать влияние тени от зданий на окружающую среду, т. е учитывать, затеняются ли здания, которые прямо или косвенно используют солнечное тепло или свет, затеняются ли окружающая растительность и культур­ные насаждения, которые постоянно нуждаются в солнце для своего роста (рис. 2 31).