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

image43материалами 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 -

 

image058

image44image45

image061

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

image46

Время,

Рис 2 35 Влияние колебаний температуры наружного воздуха на температу­ру воздуха внутри зданий разных типов при отсутствии дополнительного источника энергии для обогрева или охлаждения помещений

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-

Таблица 3 Сравнение удельной теплоемкости и плотности различных материалов на основе равных объемов

Материал

Удельная теплоємкості кДж/(кг град)

Плотпості

кг/м3

Теплоемкость кД к/(м3 ірад)

Вода

4,19

1000

4187

Металлоконструкции

0,46

7833

3437

Бетон

1,13

2242

2375

Кирпич

0,84

2242

1750

Магнетит, железная руда

0,68

5125

3312

Базальт, каменная порода

0,82

2880

2250

Мрамор

0,86

2880

2375

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»)

image47"/ — бетонные блоки, 2 — трубки, заполненные водой, пустоты в бетонных блоках могут быть заполнены песком или пластвиниловыми труб ками с водой

Подпись: при охлаждении ночью, испытаний, их, по-види-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 37 Конструкции стен с разным размещением изоляции

 

а — изоляция внутри стены (между внутрен­ней и наружной поверхностями), б— изоля ция внутри здания, в — изоляция размещается снаружи тепловой массы здания, / — обычное размещение изоляции, 2 — внутренняя поверх­ность, 3 — изоляция, 4 — наружная поверх* ность, 5 — стена (бетон, кирпич, камень)

 

image48image49

image50Рис 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.

Энергия

Выбираем актуальный способ проведения энергосистемы

При наличии опыта, человеку, обустраивающему электропроводку и простого грщ самостоятельно, доступны только два пути: открытый и закрытый. Скрытый способ рассчитан на замуровывание в стены, гипсокартон, потолок пол и внутренние пустоты …

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ И ПЛОТНОСТЬ ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Удельная теплоемкость. Тепловая емкость или удельная теплоемкость ма­териала представляет собой количество тепла, которое добавлено или отнято у единицы веса материала, чтобы изменить его температуру на один градус. Все удельные теплоемкости …

СТЕПЕНЬ ЧЕРНОТЫ И ПОГЛОЩАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

Тепло распространяется или переносится от одной точки материала к дру­гой или между телами тремя способами. Два из них — теплопроводность и конвекция — используются всеми традиционными системами отопления. Тре­тий способ …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.