СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОИ ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

КРИТЕРИИ ВЫБОРА ПАССИВНОЙ СИСТЕМЫ

Общими принципами выбора пассивной системы являются следую­щие:

Оценка климатических возможностей района строительства, где предполагается использование солнечных систем;

Выбор формы здания на основе минимизации тепловых потерь, общепринятых норм архитектурно-строительного проектирования;

Определение теплового режима здания (по укрупненным показа­телям) с учетом нестационарности тепловых процессов и нерегуляр­ного характера изменения внешних и внутренних возмущающих факторов.

Оценка климатических возможностей района строительства показы­вает, что приток тепла от солнечной радиации только на южную и восточную стены в ясный день облачностью 0 ... 2 балла может покрыть суточные тепловые потери здания. Предположительно, чго гелионагре - ватели (среднее значение КПД гелионагревателя 30 ... 40 %), размещен­ные на этих стенах, компенсируют тепловые потери здания.

Однако для применения солнечных систем необходимо достаточное число ясных солнечных дней в отопительном периоде. Существующие общепринятые нормы и характеристики "солнечного климата", опреде­ляемые по числу солнечных часов в году, неприемлемы для принятия решения по созданию пассивной системы. Первым и наиболее важным фактором является облачность в отопительным периоде. Практически пассивная система становится рентабельной при числе ясных солнеч­ных дней, составляющем 60 ... 70 % общего числа дней отопительного периода. В полуясные дни эффективность пассивной системы снижа­ется на 50 ... 60 % относительно номинальной и ее вклад в тепловой баланс малозаметен. В этом случае поддержание требуемого микро­климата обеспечивается либо с помощью вспомогательной традицион­ной системы кондиционирования (отопления), либо аккумулятора тепла.

Задача теплового аккумулирования также вытекает из общей оценки климатических ресурсов района строительства. Важно знать среднестатистические данные по чередованию ясных и пасмурных дней, а также по их продолжительности. Например, для рассматривае­мого района строительства в отопительный период характерна продол­жительность пасмурной погоды не более 1 ... 2 дней в ноябре, феврале и марте. В декабре и январе этот период составляет 2... 3 дня. В связи с этим обычно решается вопрос о теплоемкости аккумулятора и периоде его работы.

В настоящее время стоимость обычного топлива такова, что увели­чение теплоемкости аккумулятора для компенсации тепловых потерь более чем на одни сутки нерентабельно. Очевидно, с возрастанием стоимости топлива увеличение теплоемкости аккумулятора до 2 ... 3 суток станет оправданным так же, как и в том случае, когда по техническим задачам и функциональному назначению здание должно быть автономным в этот период.

При выборе формы здания необходимо ориентировать на его мини - малые тепловые потери. Причем здесь пока рассматривается примене­ние пассивной системы.

Изменение тепловых потерь может быть описано сравнительно простой алгебраической функцией. f Поиск минимума такой функции традиционным способом (по второй производной) в данном случае затруднителен. Уравнение имеет многопараметрический характер, а оптимизация по системе параметров достаточно трудна в аналитичес­ком плане. Целесообразно воспользоваться методом перебора вариан­тов, которой достаточно легко осуществляется с помощью простейших ЭВМ. Предварительно необходимо выполнить следующее:

В самом общем виде решить вопрос о форме здания, компоновке корпусов и т. п.;

Приблизительно выбрать степень остекления и вид оконного пере­плета, решить вопрос размещения окон на стенах здания (если послед­нее затруднительно, то принимают равномерное распределение окон по поверхности стен);

В общих чертах оценить объем здания по общепринятым нормати­вам.

T

Если иных требований нет, то принимают форму здания в виде параллелепипеда (рис. 5.5), произвольно ориентированного в простран­стве. Далее основная задача оптимизации состоит в переборе вариан­тов соотношений а, Ьис при неизменном объеме здания.

Вид ограждающих конструкций и термическое сопротивление выбирают по нормативным справочникам [4]. Ниже приведен конкрет­ный пример вывода расчетной формулы для поиска оптимальной Формы здания.

У

Пример 2.

Необходимо определить тепловые потери через наружные ограждения здания-коттеджа на семью из 4 человек. Основные конструктивные характеристики здания:

О

Общий объем всех помещений — 350 м ; площадь оконных проемов — 8 % площади пола; окна — двухстекольные с раздельными переплетами;

Покрытие — бесчердачное; имеется подвал (вентилируемый); здание одноэтажное;

Район строительства — см. пример 1;

Расчетная температура внутреннего воздуха — +18°С.

1. Определяют площади, непрозрачных ограждений. Общая площадь стен F0дщ = = 2ас + 2Ьс. В данном случае неизменным считается объем здания.

Тогда

Зд

„ (be)

Принимают условие:

— =(с или b = кс. С

Подстановка (5.2) в (5.1) дает

Зд

А="

Кс

Площади стен ориентации ас и Be

__ зд

Кс

TOC o "1-3" h z Fbc'^-F^bc, (5'5>

Где F0K — площадь окон на соответствующих стенах. Площадь бесчердачного покрытия аЪ

ГаЪ=^Г- («)

Площадь перекрытия над подвалом ab V

Fab—Г- (")

2. Площадь прозрачных наружных ограждений — окон принимают на основании усло­вия, что степень остекления N = 0,08. В расчете на 1 м2 стены ориентации ас площадь оконных проемов составит NV2

F =-------------------

OK, Ас

C(V + k2cl) (5.8)

Зд

То же для стены be

NV к2с2

Г Зд (5.9)

Ок, Be ~

(V + к2с?) зд

3. Тепловые потери здания в окружающее пространство определяют по формуле Г j V NV 0,5

Зд

NV LfcVo,5 V + (кс* + ] + (J) (^ + +

Зд 0,1 0,2

+ (----------- Г3") + ^зд У^р | • (5.Ю)

Где tB — расчетная температура внутреннего воздуха, °С; tH — расчетная температура наружного воздуха, °С; Ji j — добавочные теплопотери стен северной, восточной, северо­восточной Или северо-западной ориентации {Jb = 1,3 [2,4]);^ —10 же, для юго-восточной и западной ориентации ( = 1.25[2,4]; R0^ — термическое сопротивление окна (в данном случае для двойного раздельного переплета); R= 0,37 м2.°С/Вт [2,4]; п - нормируемая кратность воздухообмена [2,4]; Рд — плотность наружного воздуха при расчетной темпера - туре ( JD н = 359/273 + tH) кг/м3; с" - теплоемкость наружного воздуха при расчетной температуре, Дж/(м3-°С).

В формуле (5.10) первое слагаемое в фигурных скобках учитывает теплопотери через стены ориентации ab; второе слагаемое — то же, через стену be восточной и западной ориен­тации; третье — через покрытие и перекрытие; четвертое — через окна; пятое — нагрев вентиляционного воздуха (определяется по требуемой кратности воздухообмена).

Остальные общепринятые добавочные теплопотери и поправки в данном случае не учитываются, так как они постоянны и в оптимизационных расчетах роли не играют.

4. Выполняют расчеты по формуле (5.10) для различных значений к и с при условии, что остальные параметры Const.

Из графика изменения QTJL (рис. 5.6) видно, что минимальные тепловые потери соответствуют значениям с = 10 м и к = 0,6. Очевидно, в данной ситуации следует ориенти-. роваться на трехэтажное здание с высотой этажа 3,3 м.

Сообразуясь с сущест^уюцдами нормами и стандартами, принимают следующие размеры здания: Ь =с к = 6 м; а = (j^J ) s 6 м.

Объем здания несколько увеличится и составит

Здесь следует заметить, что принятое решение далеко не единственное. В равной мере можно было принять с = 6, к = 2 или с = 3, к = 3. Отличие по теплопотерям незначительно, ио

В принципе это уже могут быть здания одноэтажные или двухэтажные. Таким образом, на основании приведенной формулы можно получить комплекс решений, предусматриваю­щих пониженные теплопотери.

5. На основании полученных данных определяют площадь окон по формулам (5.8) и (5.9):

Fok, а-с= 4,3 м2; F0K> Ь - = 4,3 м2.

Таким образом, общая площадь оконных проемов составит 8,6 м2. Это предварительное значение, так как окончательно площадь будет выбрана после планировочного решения помещений и определения степени освещенности дневным светом.

6. По требуемому термическому сопротивлению Й^Р делают окончательный выбор строительных конструкций и наружных ограждений и определяют реальное термическое сопротивление.

7. Далее уточняют объемное решение здания по минимуму тепловых потерь с учетом принятых конструкций наружных ограждений.

8. По данным объемного решения здания выполняют внутреннюю планировку, уточ­няют места расположения оконных проемов и их размеры, располагают дверные проемы и т. д.

В дальнейшем задача строительного проектирования состоит в том, что реальные конструкции привязывают к укрупненно полученным линейным размерам здания.