Энергия

ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР

К этим простым системам отопления можно добавить еще один важный и полезный элемент: аккумулятор тепла. Еще в 40-х годах исследователи в Массачусетском технологическом институте занимались совмещением накопителя солнечного теп­ла и самого солнечного коллектора. Достигнутое в результате этих работ общее упрощение системы солнечного отопления и охлаждения весьма убедительно. Благодаря отказу от системы транспортных коробов, труб, вентиляторов и насосов, а также теплообменников и сложных органов управления экономятся значительные средства, снимаются расходы на эксплуатацию и ремонт, реально повышается комфорт и эффективность. Эксплуа­тационные характеристики нынешних систем могут быть лучше, чем у систем, которые разрабатывались Массачусетским техно­логическим институтом, главным образом благодаря совершен­ствованию изоляции и методов ее применения.

На рис. 3.15 показан вариант дополнения теплоаккумулиру­ющей стены к термосифонному вертикальному солнечному кол­лектору. При попадании солнечных лучей на зачерненную по­верхность стены бетон поглощает некоторое количество тепла.

Одновременно другая часть тепла нагревает воздух, который поднимается вдоль коллектора и поступает в помещение. Погло­щенное бетонной стеной тепло медленно распространяется внутрь стены по ее толщине и после захода солнца излучается в зда­ние, в то время как теплые конвективные потоки продолжают циркулировать между черным бетоном и прозрачным покры­тием. Размеры таких систем можно подобрать так, чтобы под­держивать комфорт в течение нескольких дней облачной по­годы.

Как и в случае охлаждения под действием обратной цирку­ляции за счет термосифонного эффекта, теплоаккумулирующая стена способна также накапливать прохладу ночью после жар­кого дня и хранить ее для последующего использования в днев­ное время. На внутренней поверхности стены можно поместить изоляцию, чтобы уменьшить количество поглощенного полно­стью тепла, поступающего от стены, и предупредить перегрев. Тепло, накопленное в стене, затем используется в основном благодаря термосифонной циркуляции воздуха. Южный фасад дома на рис. 3.16 выполнен полностью из стекла, за которым находится бетонная стена толщиной примерно 400 мм. Внешняя поверхность бетонной стены шероховата и окрашена в черный цвет для лучшего поглощения солнечной радиации, которая про­никает через стекло и поступает на поверхность бетонной стены. На рис. 3.17 показана схема этого дома. Бетон является не толь­ко солнечным коллектором, но и аккумулятором тепла. Бетон нагревается под действием попадающей на него солнечной ра­диации. Солнечное излучение, пройдя через стекло (1), погло­щается черной поверхностью (2), нагревая бетонную стену (,?)• Под действием длинноволнового теплового излучения, которое не может проникнуть через стекло, воздух между бетонной по­верхностью и стеклом нагревается н поднимается вверх. Подни­маясь, он проходит через отверстия в верхней части стены и по­ступает в помещение. Одновременно холодный комнатный воз­дух замещает нагретый, поступая через каналы в нижней части

/ — вентилятор (необязательно): 2 — солн­це; 3 — воздух, нагретый солнечным теп­лом; 4 — теплообмен излучением: 5 — сол­нечная радиация; 6 — изоляция (необя­зательно); 7 — прозрачное покрытие, одно - иля двухслойное; 8 — зачерненная тепло­поглощающая поверхность с каменной крошкой; 9 — стена — накопитель тепло­вой энергии солнечного излучения: 10 — место для размещения раздвижных изо­лирующих ставней; 11 — прохладный ком натный воздух [2]

стены. Избыточное тепло сохраняется в бетоне для использова­ния в периоды отсутствия солнца. Никаких других средств, кроме естественного воздушного потока, в доме для циркуляции теплого воздуха в помещении не применяется. Чтобы не допус­тить опрокидывания циркуляции под действием холодного ноч - . ного воздуха, нижний входной канал располагается чуть выше низа коллектора, т. е. находящийся там холодный воздух как бы заперт в ловушке.

На рис. 3.18 представлен крупный план стены южного фаса­да дома с циркуляционными каналами в нижней и верхней ча­стях. В двух таких домах живут инженеры лаборатории солнеч­ных исследований в Одейо со времени их постройки в 1967 г. Примерно две трети потребности в тепле в этих домах удовлет­воряются за счет солнечной энергии. Площадь пола каждого из них составляет 93 м2, а площадь коллектора — около 44,5 м2. Сезонная тепловая энергия, обеспечиваемая этой системой, рав­на примерно 600 кВт-ч/м2 поверхности коллектора [4].

Назначение отверстий в западной стене фундамента трех­квартирного здания, показанного в процессе строительства на рис. 3.19 по состоянию на февраль 1973 г., такое же, как и в первых двух домах (в настоящее время строительство дома за­кончено). На рис. 3.20 представлен макет здания, спроектиро­ванного архит. Жаком Мишелем в Национальном центре науч­ных исследований. Патентуемые аспекты солнечной отопитель­ной системы защищены через Национальное агентство по вало­ризации исследований (ANVAR).

Схематическое устройство солнечной отопительной системы такого трехквартирного дома показано на рис. 3.21 и 3.22. Ос­новные различия между этой системой и системой в первых до­мах (см. рис. 3.17) заключаются в том, что окна на южной сто­роне сочетаются с бетонно-стеклянной солнечной стеной, верх­ний воздухопровод из коллектора в здание разделен на два меньших канала вместо одного большого и в верхнем канале предусмотрены клапан или заслонка, которые направляют поток нагретого воздуха либо в здание, либо из здания. Режим отоп­ления в зимний период показан на рис. 3.21. Заслонки занимают такое положение, что нагретый воздух из промежутка между бетоном и стеклом поступает в дом. Летом заслонки находятся в ином положении, и прохладный воздух засасывается через отверстие в северной стене здания и попадает в воздушный про­межуток между бетоном и стеклом. Воздух нагревается (что способствует засасыванию прохладного северного воздуха) и удаляется наружу через заслонки в верхней части коллектора.

Развитие южной коллекторной стены ниже уровня земли (до 1 м) не только увеличивает общую площадь коллектора, но и создает ловушку для холодного воздуха зимой, препятствую­щую опрокидыванию циркуляции за счет охлаждения.

Первый дом, обогреваемый солнечной энергией, в Одейо был построен в 1962 г, На рис. 3.23 показаны обращенная на юг сте­на дома, а также сочетание окон и солнечных коллекторов. Ос­новное различие между этой системой и другими построенными в Одейо заключается в том, что аккумулятором тепла в - данном случае вместо бетонной стены является вода. Солнечные кол­лекторы— это водяные радиаторы, окрашенные в черный цвет и расположенные между остеклением южного фасада и внут­ренним помещением. Вода циркулирует в системе благодаря естественной циркуляции (насосы отсутствуют) и хранится в ба­ках, находящихся над коллекторами в чердачном помещении. Верхние части радиаторов располагаются непосредственно под окнами, а баки-накопители — выше стены между потолочными балками. На рпс. 3.24 показана схема такой системы.

Ряс. 3.22. Схема солнечной отопительной системы трехквар­тирного дома (зимний режим) [4]

1 — теплоаккумулирующая бетонная масса; 2 — стекло; 3 — зачернен­ная, шероховатая, теплопоглощающая поверхность; 4 — воздушный промежуток для движения нагретого воздуха; 5 — входное отверстие для прохладного воздуха; б — прохладный комнатный воздух; 7 —ок­но; 8 — выходное отверстие и заслонка для регулирования воздушного потока в здание или из него; 9 — отверстие для входа теплого воздуха в помещение; Ю — помещение / здание; U — воздушный поток в про­межутке между коллектором и стеклом; J2 — гараж или другое поме­щение; ІЗ — внутренняя стена; 14 — входное отверстие с заслонкой для регулирования потока прохладного северного воздуха для вентиляции летом; 15 — воздухоочиститель

Рис. 3.24. Предложенная автором книги схема термосифонной системы лучистого солнечного отопления с использованием горячей воды; осу­ществлена в Одейо в 1962 г.

1 — горячая вода; 2 — холодная вода; 3 — теплоаккумулирующий бак с водой; 4 — стекло; 5 — зачерненная теплопоглощаю­щая поверхность; 6 — разделитель потока

Теплопоглощающая и аккумулирующая стена может быть также выполнена из кирпичных блоков. Их можно укладывать друг на друга, а пустоты заполнять песком, землей или винипла - стовыми мешками с водой. Незаполненные пустоты можно ис­пользовать как воздуховоды для естественной циркуляции воз­духа. Для аккумулирования тепла можно также использовать набор контейнеров с водой или эвтектическими солями (рис. 3.25).

Одним из самых известных сторонников использования сол­нечного тепла с применением «пассивной» технологии является Стив Баэр из фирмы «Зоумуоркс корпорейшн» (Альбукерке,

Рис. 3.25. Вариант комбинации в одном устройст­ве окна, стены, солнечного коллектора и аккуму­лятора тепла (поперечное сечение)

1 — зазор для раздвижных изолирующих ставней; 2 — стекло или пластмасса; 3 — часть лучистой энергии по­глощается эвтектическими солями, часть поступает в по­мещение; 4 — теплоаккумулирующий материал, напри­мер эвтектические соли в пластиковых контейнерах (тем­пература фазового перехода 24° С)

шт. Нью-Мексико). Баэр спроектировал ячейку, которую назвал «зомом», и построил из 11 таких зомов дом площадью около 190 м2. В доме применены бетонный пол и саманные перегородки (рис. 3.26). Его основная особенность как объекта, предназна­ченного для пользования солнечной энергией, заключается в том, что обращенные на юг стены сложены из цилиндрических емко­стей по 200 л каждая, которые наполнены водой и поставлены друг на друга. Каждая такая стена, состоящая примерно из 20 таких бочек, имеет внешнее ограждение в виде однослойного остекления.

Наружные, отражающие солнечные лучи изолирующие што­ры шарнирно прикреплены к основанию каждой стены-коллек­тора. Днем ставни горизонтально лежат на земле, отражая своей поверхностью дополнительный солнечный свет на стеновые ци­линдры (рис. 3.27). На ночь шторы вручную поднимаются в вер­тикальное положение, чтобы уменьшить потери тепла от цилин­дрических емкостей в окружающее пространство (рис. 3.28). Шторы имеют алюминиевое отражающее покрытие и изоляцию из картонных ячеек, частично заполненных пеноуретаном. Их приблизительная стоимость составляет около 20 долл, за 1 м2, вес 7,3 кг/м2.

Цилиндры окрашены в черный цвет и поглощают за солнеч­ный день до 1360 кДж/м2. Такой аккумулятор отдает свое тепло

Рис. 3.28. Схема подвижных изоли­рующих ставней и стены с цилиндри­ческими емкостями конструкции фир­мы «Зоумуоркс корпорейшн»

/ — стекло; 2 —■ зачерненная поверхность; 3 — изолирующие ставни; 4 — отражающая солнечные лучи поверхность; 5 — цилин­дрические емкости (200 л) с водой; 6 — ручная лебедка в жилое помещение посредством излучения, конвекции и тепло - проводпости. Плотность теплового потока может до некоторой степени регулироваться с помощью подвижных штор, размещен­ных между цилиндрами и жилым помещением. Одной из наиболее интересных характеристик этого проекта является мягкое осве­щение, которое проникает между цилиндрами (рис. 3.29). Обыч­но цилиндры размещаются в горизонтальном положении. Одна­ко в некоторых случаях Баэр устанавливал их вертикально для того, чтобы уменьшить количество воды на квадратный метр

поверхности коллектора. Система Баэра может на 75% покры­вать отопительную нагрузку при изменении температуры возду­ха в помещении не более чем на 5—8 град.

Летом изолирующие ставни на ночь опускаются, и цилинд­ры остывают. Днем ставни поднимаются в вертикальное поло­жение, препятствуя проникновению тепла и удерживая прохла­ду. В процессе эксплуатации следует принимать меры для пре­дотвращения утечки воды из цилиндров.

Другой особенностью объекта является применение банок не­большой емкости, наполненных водой и размещенных под по­толком. Эти банки нагреваются через фонарь верхнего света, оборудованный ставнями. Ветряной двигатель накачивает коло­дезную воду в бак емкостью 20 м2, откуда она самотеком посту­пает в дом.

Некоторые из способов изготовления стен здания из цилинд­рических емкостей показаны на рис. 3.30—3.33.

Научно-исследовательская и проектная фирма «Тотал эн- вайронметал экшн, инк., с главной контрой в г. Гаррисвилл,

Рис. 3.33. Скрытые цилиндры с изо­ляцией типа «Скайлид». Воздух по­ступает и выходит через один и тот же вентиляционный канал

шт. Ныо-Гэмпшир, последовала примеру Тромба и Баэра, по­строив дом близ Манчестера, шт. Ныо-Гэмпшир (рис. 3.34). Бетонные стены дома засыпаны землей с восточной, западной и северной сторон, а изоляция размещена между бетоном и грунтом. Пол также изготовлен из бетона, но без изоляции под ним. Вся южная сторона состоит из комбинации окон и солнеч­ных коллекторов. Единственным источником тепла в доме по­мимо солнечной энергии являются сжигаемые в печи дрова. Солнечные коллекторы представляют собой бетонные стены толщиной 300 мм, открытые для солнечных лучей в течение ДНЯ

а — поперечный разрез по южной стене: і—прозрачная стена с шариками изоляции: — открыта в течение солнечных прохладных периодов, — закрыта в течение солнечных жарких периодов и при отсутствии солнца (ночью, в облачную погоду); б — режим отоп­ления: работа коллектора в режиме накопления тепла; в — режим охлаждения: работа коллектора в режиме вентиляции; г — вид с южной стороны: / — гараж; 2 — кухня; 5 — столовая; 4 — ванная; 5— спальня; 6 — жилая комната; 7 — солнечный водонагреватель, расположенный в центре этой стены; д — вид с восточной стороргьг; е — вид с западной стороны

и защищенные от потерь тепла во внешнюю среду ночью и золя - цией типа «Бидуолл». Воздух циркулирует между бетоном и изоляцией. Солнечное тепло поступает также через окна и на­капливается в бетонных стенах и полу. Для уменьшения потерь тепла ночью окна закрываются изолирующими ставнями. Вода для бытовых нужд предварительно подогревается, циркулируя по трубам в бетонной стене коллектора, прежде чем поступит в солнечный водонагреватель.

Разумеется, аккумулятор солнечного тепла необязательно должен быть совмещен непосредственно с солнечным коллекто­ром. Если же это сделано, то не всегда он должен быть един­
ственным аккумулирующим устройством. Для хранения избы­точного солнечного тепла можно использовать аккумулирую­щую емкость самого здания. Однако если эта теплоаккумулиру­ющая способность здания недостаточна или нельзя сконструи­ровать стену, обладающую достаточной теплоемкостью, то ак­кумуляторы тепла должны быть дополнительно установлены в других местах. На рис. 3.35 показан вспомогательный аккуму­лятор солнечного тепла, расположенный под полом. На рисунке приведены также другие элементы подобных систем, в том чис­ле вентилятор, который переносит воздух в помещение после его нагрева в стене-коллекторе. Пример того, как можно хра­нить тепло в перекрытии, показан на рис. 3.36. Теплый воздух подается через промежутки между балками перекрытия. Про­межутки облицованы отражающей фольгой для уменьшения потерь тепла и трения воздушного потока. Затем тепло пере­дается 4-л емкостям с водой. Емкости могут быть выполнены из пластмассы, стекла или металла и расположены в произволь­ном порядке. В качестве средства для аккумулирования тепла, поступающего через окна, может использоваться бетонная пли­та. Между бетоном и аккумулятором солнечного тепла поме­щается изоляция, чтобы уменьшить неконтролируемые потери тепла во внешнюю среду.

Другая размещенная под полом система аккумулирования тепла была предложена Дэем Шахруди (рис. 3.37). Теплый воз­дух из коллектора подается через пустоты в каменных блоках, установленных под полом на торец. Нагретые блоки в свою оче­редь передают тепло воде, содержащейся в больших матрасо­образных пластиковых мешках, которые положены на блоки. Теплый воздух, прошедший над мешками, поступает в здание. Воду теплового аккумулятора можно также хранить в больших железных баках (типа бочек для нефти), которые размещаются в подвале. Теплый воздух из коллектора может циркулировать вокруг и между ними, а прохладный комнатный воздух, также циркулируя вокруг бочек, нагревается.

Аналогичным способом тепло можно аккумулировать, по­мещая аккумуляторы в других частях здания: в потолках, чу­ланах и внутренних перегородках. Подобно емкостям с водой, размещенным между балками перекрытия (см. рис. 3.36), их можно разместить и на полках в вертикальных стенах. Анало­гичные способы применимы и к размещению в доме высоких контейнеров, заполненных камнями, как это сделано, например, в собственном доме Джорджа Лёфа в Денвере.

По возможности аккумулятор тепла должен находиться в пределах помещения, которое требуется отапливать и охлаж­дать. Вода в резервуаре на рис. 3.38 нагревается коллектором водяного типа. В свою очередь камни нагреваются от горячего водяного резервуара. Прохладный воздух из помещения засасы­вается в аккумулятор тепла, поднимается через камни и вновь

Рис. 3.35. Обращенный на

юг вертикальный солнеч­ный коллектор и теплоак­кумулирующая стена в со­четании с отдельно распо­ложенным аккумулятором тепла (поперечный разрез) j _ вентилятор; 2 — потолок;

3__ приточная вентиляция; 4—

нагретый солнцем воздух; 5 — теплообмен излучением: 6 —

байпас на случай, если отоп­ления не требуется: 7 — охлаж­денный воздух из помещения; 8 — дополнительный аккумуля­тор солнечного тепла: 9 — сол­нечные лучи: 10 — прозрачное

покрытие, одно - или двухслой­ное; // —зачерненная теплопо­глощающая поверхность; 12 — стена, аккумулирующая сол­нечное тепло; 13 — промежуток для раздвижных изолирующих ставней

поступает в помещение, нагретое теплом камней. Если в поме­щении тепло, то жалюзи поверх аккумулятора тепла закрыты Такой тепловой аккумулятор можно отделяїь в тепловом отно­шении от помещения с помощью подвижных изолирующих па­нелей. Если тепло не требуется, то изоляция удерживает его внутри аккумулятора тепла Когда требуется помещение нагреть, изолирующие панели удаляются, и тепло отдается аккумулято­ром в помещение.

В этом разделе рассматривались в основном обращенные на юг вертикальные коллекторы, и на то есть причины, наиболее важной из которых является относительная легкость постройки таких коллекторов по сравнению с наклонными коллекторами, встроенными в крышу. В основном это касается особенностей остекления подобных прозрачных ограждений Разница в стои­мости между фонарями верхнего света и окнами свидетельствует в пользу последних, в частности, потому, что наклонные и го­ризонтальные крыши и остекление защитить от непогоды труд­нее, чем вертикальные стены и остекление. Другим важным со­ображением является архитектурное ограничение применения высоких островерхих крыш. Внутренние помещения под такими крышами трудно использовать

Крупные здания имеют большую площадь стен и меньшую площадь крыши. При правильном использовании стены могут внести значительный вклад в энергетический баланс здания. Вертикальные стены, выходящие на юг, можно легко затенять летом Это не дает возможности коллектору достичь высоких, потенциально разрушительных температур. Той немногой энер-

но

гии летнего солнца, реально попадающей на южную стену, впол­не достаточно для возникновения естественной вентиляции здания. і

Общее количество солнечного тепла в ясный день, поступаю­щего на обращенные на юг поверхности, приближается к сезон­ным потребностям. В большинстве континентальных районов Соединенных Штатов наибольшее поступление тепла на верти­кальные южные поверхности отмечается в январе и феврале, т. е. в самые холодные месяцы, а наименьшее — в июле и авгу­сте, т. е. в самые теплые месяцы. Как видно из коэффициентов инсоляции в солнечный день, приведенных в разделе «Солнеч­ная радиация», общее количество солнечной энергии, поступаю­щей на вертикальные поверхности в середине зимы, только на 10% ниже, чем па наклонные поверхности, т. е 20 000 кДж/м2 в день против 22 000 кДж/м2. Если же к 20 000 кДж/м2 добавить еще 10—30% от этого уровня энергии, отраженной от снега, то приход солнечной энергии на вертикальные поверхности превы­сит уровень поступления солнечной энергии на наклонные. Дру­гие отражающие поверхности, такие, например, как зеркало плавательных бассейнов, озер, покрытие пешеходных дорожек из белого гравия и бетона, также лучше взаимодействуют с вер­тикальными коллекторами.

Иногда кажется неразумным заменять окно, которое непо­средственно пропускает свет и тепло в здание, непрозрачным стеновым солнечным коллектором. Однако к настоящему вре­мени преимущества сочетания окон и коллекторов становятся все более очевидными: во-первых, интерьер помещения может быть нарушен, если весь южный фасад состоит только из стекла и окон; во-вторых, солнечные лучи обесцвечивают и иногда по­вреждают мебель, полы и ткани; в-третьих, люди часто чувст­вуют себя неуютно под прямыми лучами солнца, поэтому от посылающего тепло прямого солнечного света защищаются шторами или навесами.

Другая проблема заключается в потере комфорта из-за пере­грева, вызываемого стеклянной стеной, несмотря на использова­ние бетонных полов и перегородок. Благодаря солнечным кол­лекторам и аккумуляторам тепла в южных стенах тепло можно передавать в другие, прохладные части здания или удерживать и хранить его для дальнейшего использования

Потери тепла в окружающую среду потенциально можно уменьшить с большей эффективностью с помощью стенного сол­нечного коллектора, чем при использовании простого окна.