Энергия

ЗДАНИЕ КАК АККУМУЛЯТОР СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Исключительно важным для системы, использующей солнеч­ную энергию для отопления, является наличие контейнера для хранения тепла. Здание, представляя собой солнечный коллек­тор, нуждается в средствах аккумулирования тепла для того, чтобы предупредить возможный перегрев помещений при солнеч­ной погоде и сохранить определенное количество тепла для даль­нейшего использования в период отсутствия солнца.

Пожалуй, наиболее эффективным аккумулирующими контей­нерами являются составляющие здание стены, перекрытия, кры­ши и перегородки Как известно, все материалы, поглощая тепло, хранят его по мере нагрева. Если окружающая температура по­нижается, то накопленное тепло поступает в окружающую среду, а сами материалы охлаждаются.

Для здания это явление имеет особое значение. Тегйловая энергия солнечного излучения постоянно в течение дня проника­ет через степы, крышу и окна здания. Коротковолновое излуче­ние поглощается стенами, перекрытиями и находящимися в по­мещении предметами после того, как это излучение проникло через стекла Встречаясь с какой-либо преградой, поступающее излучение превращается в теплоту, большая часть которой по­глощается (рис 2 32) Если предметы и материалы внутри здания вследствие этого воздействия нагреваются выше окружа­ющей температуры, то они в свою очередь начинают выделять тепло, передавая его более холодным предметам и материалам в здании Воздух в помещении является одним из «материалов», который наиболее быстро нагревается и помогает передавать избыточное солнечное тепло на остальные материалы.

Однако если материалы здания уже прогрелись до температу­ры воздуха или не могут с прежней интенсивностью поглощать тепло, то воздух, продолжая нагреваться, в конечном счете пере­гревается, создавая дискомфорт для находящихся в помещении людей. Температура материалов в здании в свою очередь про­должает повышаться, т. е. происходит дальнейшее накопление теплоты. Чем больше теплоаккумулирующая способность пред­метов и материалов в здании, тем больше потребуется времени для нагрева воздуха до дискомфортного уровня.

После захода солнца в условиях холодной погоды здание может начать быстро терять тепло В следующей главе будет рассмотрен ряд способов уменьшения тепловых потерь зданий. Но даже если здание теряет очень мало тепла, то все равно это тепло должно возмещаться для поддержания комфортной тем­пературы. Для зданий, которые не аккумулируют солнечное теп­ло в течение дня, это возмещение тепла для обогрева должно обеспечиваться другими средствами, например дровяными или иными печами, калориферными обогревателями, за счет выделе­ния тепла освещением, машинами и людьми. Однако если здание содержит достаточное количество способного аккумулировать тепло материала и если солнечные лучи могут проникать внутрь здания и нагревать его в течение дня, то такое здание будет отап­ливаться солнцем даже после его захода Нагретые материалы будут терять свое накопленное тепло и передавать его внутрен­нему воздуху по мере его охлаждения В зависимости от количе­ства солнечного тепла, поступающего в здание, и накопленного

материалами уровня теплопо­терь здания (которые зависят от ряда таких факторов, как

Рис 2 32 Поступление солнечного тепла через окна

1— тепло от солнца 1000 кДж 2 — двойное остекление 3 — потери наружу 500 кДж 4 — поступило 800 кДж, 5 — зачерненный бетон или кирпич 6 — песок грунт или бетон 7 — жесткая конструкционная изоляция 8 — гидроизоляционный слои, 9 земля
вия многие часы, а возможно даже и дни без затрат дополни­тельного тепла от других источников.

Влияние изменения температуры наружного воздуха на тем­пературу воздуха внутри зданий разных типов показано на рис. 2.33, 2.34 и 2.35. Влияние, которое оказывает резкое снижение температуры наружного воздуха на температуру воздуха внутри зданий различных типов, показано на рис. 2.33. Следует отме­тить, что для легкого здания, например имеющего деревянный каркас, характерно сравнительно быстрое изменение температу­ры воздуха внутри помещения, даже если это здание хорошо изо­лировано. Тяжелое, массивное сооружение, построенное из бето­на, кирпича или камня и имеющее хорошую изоляцию, поддер­живает свою температуру в течение более длительного периода времени. Для уменьшения тепловых потерь изоляция в таком здании должна быть с внешней стороны, аккумулирующей тепло­вую энергию массивной стены (т. е. находиться между стеной и наружным воздухом). Массивные материалы, которые могут аккумулировать большое количество тепла, являются плохими изоляторами, и чтобы воспользоваться их теплоаккумулирующей способностью, они должны быть расположены в пределах тепло­вого барьера (изоляции), который отделяет внутреннюю часть здания от внешней среды.

Верхняя кривая рис. 2.33, соответствующая изменению темпе­ратуры внутреннего воздуха, относится к зданию, которое обла­дает не только большой теплоаккумулирующей способностью, но пристроено к склону холма или покрыто землей. Жесткая плитная изоляция, например из полистирола или уретана, поме­щается между бетонными или каменными стенами и слоем зем­ли. Одна или более стен могут быть открыты для внешних воз­действий, однако температура, как показано на рисунке, опуска­ется очень медленно и устанавливается на уровне, близком к температуре земли.

Летом вступают в силу противоположные условия. Если зда­ние затенено так, что внутрь здания проникает немного солне­чной энергии, то поступление тепла будет определяться главным образом теплопередачей через стены, крышу и окна, т. е. будет иметь место процесс, обратный процессу тепловых потерь. Ночью, когда наружный воздух прохладнее, чем днем, поступле­ние этого воздуха в здание либо за счет естественной циркуляции через проемы, например вентиляционные отверстия или окна, либо принудительно при помощи вентиляторов будет охлаждать воздух, а следовательно, и все материалы и предметы в здании. А так как в начале теплого дня они будут холодными, то до того, как нагреются, они в состоянии поглощать и хранить больше тепла, охлаждая воздух в помещении. Таким образом, если эти предметы охлаждены утром, то потребуется определен­ное время, прежде чем они нагреются до такой степени, что будет необходимо осуществлять кондиционирование воздуха.

20 -

Рис 2 34 Влияние повышения температуры наружного воздуха на тем­пературу воздуха внутри зданий разных типов при отсутствии дополни­тельного источника энергии для охлаждения помещений

/ — наружный воздух, 2 — воздух внутри легкого здания с деревянным каркасом 3 — воздух внутри массивного здания с наружной изоляцией, 4 — воздух внутри массив иого здания, заглубленного или частично покрытого грунтом

1 — наружный воздух, 2 — воздух внутри легкого здания с деревянным каркасом 3 — воздух внутри массивного здания с наружной изоляцией 4 — воздух внутри массивного здания заглубленного и частично покрытого грунтом

Влияние на тепловой режим тех же трех зданий резкого по­вышения температуры наружного воздуха показано на рис 2 34. И в этом случае легкое здание быстро реагирует на изменение наружной температуры, и, несмотря на хорошую изоляцию, его внутренняя температура сравнительно быстро повышается. С другой стороны, массивные здания за счет более высокой ак­кумулирующей способности реагируют на повышение темпера­туры в меньшей степени Здание, пристроенное к земляному от­косу или покрытое слоем земли, еще меньше реагирует на темпе­ратурные изменения наружного воздуха, а при правильном про­ектировании никогда не будет слишком нагреваться

На рис. 2 35 показано влияние повышения и понижения тем­пературы наружного воздуха В случае, если какие-либо допол нительные источники тепла, вроде печей и каминов, не использу­ются, температура воздуха в легких зданиях меняется в широких пределах, а в зданиях, изолированных землей, остается почти по­стоянной

Рациональное использование природных климатических уело вий в сочетании с массивностью здания уменьшает потребность в энергии В свою очередь, массивность здания способствует выравниванию нагрузки на отопительное и охлаждающее обо­рудование Если здание быстро не реагирует на изменения наружной температуры, то не требуется очень большой мощно­сти оборудования для обеспечения теплоснабжения для покры-

тия такой нагрузки, и оно может работать в более стабильном режиме Итак, одним крайним случаем является легкое, слабо­изолированное здание с деревянным каркасом. В прохладный солнечный день в таком здании печь можно не включать совсем Однако ночью может потребоваться, чтобы печь работала на полную мощность для поддержания комфортной температуры Другим крайним случаем является массивное, покрытое землей здание, в котором при переменной температуре наружного воз­духа может поддерживаться температура на среднем уровне на протяжении нескольких дней, а может быть в течение 10 дней или даже двух недель Для такого здания достаточно иметь сравнительно небольшую по мощности отопительную систему, которая будет работать в постоянном режиме, обеспечивая в помещении достигнет уровня комфортной

Для некоторых типов массивных зданий общее потребление энергии снижается Однако утром отопительная нагрузка мо­жет возрастать, если температура в помещении за ночь пони­зится Это объясняется тем, что масса здания должна быть про­грета до комнатной температуры прежде, чем температура в помещении достигнет уровня комфортной

Все материалы, как правило, имеют разную тсплоаккумули- рующую способность Способность материала удерживать теп­ло оценивается его удельной теплоемкостью, т е количеством тепла (в кДж), необходимым для повышения температуры од­ного килограмма материала на один градус Например, вода имеет удельную теплоемкость, равную 4,19 кДж/(кг-К) Это значит, например, что для повышения температуры 1 кг воды на 1° (К) требуется 4,19 кДж

Удельные теплоемкости различных материалов, применяе­мых при строительстве зданий, приведены в табл 3 К сожале­нию, лучший из приведенных строительных материалов — бе­тон, удельная теплоемкость которого составляет 1,1 кДж/ /(кг-К), удерживает лишь одну четвертую часть того количест­ва тепла, которое хранит вода того же веса Однако плотность бетона (кг/м3) значительно превышает плотность воды Во вто-

ром столбце таблицы приведены плотности этих материалов Умножив удельную теплоемкость на плотность материала, полу­чим теплоемкость на кубический метр Эти величины приведе­ны в третьем столбце Следует отметить, что вода, несмотря на то что обладает наименьшей плотностью из всех приведенных материалов, имеет теплоемкость на і м3 выше, чем для других материалов из-за ее сравнительно большой удельной теплоем­кости Низкая удельная теплоемкость бетона до некоторой сте­пени компенсируется его большой строительной массой Поэто­му бетон удерживает значительное количество тепла (1415,9 кДж/м3) по сравнению с водой (2328,8 кДж/м3)

К сожалению, строительство массивных зданий не соответ­ствует современной теории и практике проектирования Техно­логия и проектирование сейчас сосредоточены на попытках «сделать много, имея немногое», и строительным гением счи­тается тот, кто может использовать наименьшее количество материала в процессе ограждения пространства Такой образ мышления обычно ограничивается только оценкой применяемых материалов без учета расходуемой энергии или долговечности изделия Визуальное восприятие веса зданий для некоторых людей является важным эстетическим соображением, и сейчас существует тенденция проектировать и строить сооружения, кажущиеся легкими.

Увеличение массы может также увеличить стоимость зда­ния Авторитет монолитного бетона то растет, то падает у про­фессиональных строителей На их отношение к бетону влияют такие факторы, как его стоимость, наличие, возможности до­ставки, технология укладки, а также вес

Для массивных зданий требуется больше материалов, чем для легких Дополнительную энергию, необходимую для произ­водства большего количества материалов, трудно сопоставлять с энергией, сэкономленной на отоплении и охлаждении, однако массивные здания, как правило, имеют длительный срок служ­бы, и в большинстве случаев они более надежны, чем легкие (Заслуживающими внимания исключениями являются деревян­ные дома, стоящие несколько сот лет Примерами массивных зданий с длительным сроком службы являются греческие и римские храмы, а также западноевропейские соборы )

Задача увеличения тепловой массы не должна представ­ляться слишком сложной Одним из решений здесь может быть установка емкостей с водой внутри здания (лучше всего перед освещенным солнцем окном). Однако, вряд ли этот способ при­дется по вкусу многим людям Песок, гравий, бетон или вода (в пластиковых емкостях) могут использоваться для заполне­ния пустот в кладке из бетонных блоков (рис 2 36) Массивные камины, внутренние бетонные или кирпичные перегородки и даже 50- или 75-мм слой бетона или кирпича на полу могут су­щественно увеличить тепловую инерцию здания

рис 2 36 Конструкция стены для уве­личения тепловой массы (идея Гарольда Хэя из фирмы «Скайтерм проусессиз энд инджинииринг»)

/ — бетонные блоки, 2 — трубки, заполненные водой, пустоты в бетонных блоках могут быть заполнены песком или пластвиниловыми труб ками с водой

В университете шт. Делавэр д-р Мариа Телкес проводит испытания фазопереходных со­лей, которые применяются для увеличения тепловой инерции По мере нагрева соли плавятся при температуре около 24° С, накапливая большое количество тепла Они высвобождают это тепло Хотя такие соли находятся в стадии

мому, в скором времени можно будет использовать в составе ограждающих конструкций зданий или внутренних перегородок, полов и потолков Наилучшим местом для размещения таких солей является южная часть здания, которая больше всего на­гревается при солнечной погоде.

Устройство изоляции с наружной стороны здания требует творческого решения конструктив 1ЫХ проблем, которые не часто решались удачно Изоляция обычно помещалась внутри стены (между наружной и внутренней поверхностями) или внутри здания (рис 2 37). Наиболее трудной задачей при устройстве изоляции с наружной стороны бетонного или кирпичного здания является защита изоляции от влаги, дождя, солнечного воздей­ствия, контакта с людьми и животными На рис 2 38 показана схема применения изоляции в виде жестких плит из полистиро­ла толщиной 75 мм, покрывающих наружную поверхность мо­нолитной бетонной стены Большая часть этой изоляции покры­та землей, однако та часть изоляции, которая покрывает бетон над поверхностью земли, должна быть защищена от возможных повреждений, в том числе и от воздействия солнечной радиации (особенно ультрафиолетовых лучей). Ниже уровня земли изо­ляция должна быть защищена от влаги, насекомых и грызунов Стирол можно укладывать в опалубку до заливки в нее бетон­ной смеси При этом между двумя материалами достигается очень хорошее сцепление Однако защита изоляции над уровнем земли требует дополнительных затрат Один из вариантов такой защиты заключается в нанесении на изоляцию «цементирующе­го* материала (типа раствора на основе стекловолокна) Дру­гой способ состоит в креплении жесткого листового материала, например влагостойкой фанеры или асбестоцементных плит.

Рис 2 38 Деталь конструкции с почти сплошной наружной защитой изоляции / — внутренняя отделка, 2 — наружный отде­лочный слой (тонкие доски), 3 — стекловолок­нистая изоляция, 4~ пол, 5 —бетонная стена, б —жесткая плитная изоляция, 7 —защитное покрытие _

К сожалению, использование массы здания в качестве сред­ства снижения общего потребления энергии не учитывается и не используется при проектировании в той же степени, как изо­ляция и двойное остекленение. Эта тема подробно рассматри­вается Виктором Олгиэем в книге «Проектирование с учетом климата» и Барухом Дживони в книге «Человек, климат и ар­хитектура». Другие факторы, уменьшающие потребление энер­гии, рассматриваются в следующем разделе.