СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОИ ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

ОБЩИЕ КОМПОНОВОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ ЗДАНИЙ С ПАССИВНЫМИ СИСТЕМАМИ

В задачу архитектурно-строительного проектирования органично входит оценка теплотехнических характеристик здания с пассивной системой. В этом плане решают целый комплекс задач.

Прежде всего уточняют ориентацию здания, его расположение на местности. Оценивают влияние здания на существующую застройку, а также окружающей среды на здание. Так, если в примере 5 предвари­тельно принять решение установить гелиоприемники на южной и восточной стенах, то аккумулятор тепла по объему сможет обеспечить, двух - или трехсуточный запас тепла. Однако реально восточная стена,

Рве. 5.6. Графики потерь

Например, полностью затеняется рядом стоящим зданием. Здесь либо необходимо отказаться от теплосъема с восточной стены, либо плани­ровать стену юго-восточной ориентации. Соответственно принятому решению изменится теплоемкость аккумулятора и его размещение.

Очень важно проанализировать тепловой баланс здания с целью исключения неоправданных потерь теплоты. Так, например, можно сократить излишнюю площадь оконных проемов, которая стала тради­ционным явлением, хотя удовлетворительный обзор окружающего ландшафта не обязательно связан со стеклянными стенами или большими окнами. Приток наружного воздуха в здание может быть сокращен в результате уменьшения неплотностей в оконных проемах и наружных ограждениях. Излишне велики потери теплоты через наруж­ные двери, а также из-за поступления наружного воздуха по каналам вентиляции. Целесообразно предусматривать мероприятия по утилиза­ции тепловых выбросов из здания. Здесь могут быть использованы утилизационные установки в системах вентиляции, а также для отбора теплоты сточных вод. Заметный вклад в тепловой баланс дают внут­ренние тепловые выделения, что важно учитывать при конструирова­нии пассивной системы. Существенного снижения тепловых потерь можно добиться, защитив здание от интенсивных ветровых потоков путем использования особенностей ландшафта или существующей застройки.

Внутренняя планировка должна учитывать наличие элементов пассивной системы, конвертирующей теплоту во внутренний объем. Тепловоспринимающие ограждения прогреваются днем и отдают теплоту практически до утра. Однако они же являются источником дополнительной теплоты в жаркий период. Теплоноситель - воздух обычно циркулирует за счет гравитации, что требует соответствующей организации перетекания воздуха внутри здания, а значит, и соответ­ствующей компоновки помещений. Аккумуляторы теплоты наиболее эффективны при размещении во внутреннем объеме, что предполагает их использование как строительного элемента или элемента интерьера.

Чрезвычайно важно обеспечить простоту эксплуатации и надежность работы. Чем меньше элементов, требующих контроля и управления, тем эффективнее работа пассивной системы; этот аспект очень важен как с технической, так и с психологической точек зрения.

Ниже рассмотрены несколько возможных вариантов компоновки пассивных систем.

Одним из наиболее известных способов использования солнечной энергии для поддержания теплового режима является свободная инсоляция внутреннего объема через наружное .остекление. Несомнен­ным преимуществом такого способа является его простота - конструк­тивная и технологическая. Вместе с тем для этой системы характерны и существенные недостатки, а именно:

В дневное время происходит недопустимое возрастание, а в ночное время - резкое снижение температур внутреннего воздуха, что тре­бует неорганизованного сброса тепла через окна и двери днем, а ночью - затрат значительных мощностей на поддержание расчетных температур;

Пребывание людей возле стеклянных ограждений большой площади нежелательно из-за вероятности прямого ослепления солнечными лучами, а также из-за нежелательных потерь тепла с поверхности тела в холодильный период;

Полностью исключить инфильтрацию практически невозможно, а это влечет за собой переохлаждение организма обитателей такого здания.

Вместе с тем эти системы при некоторой модификации могут быть достаточно эффективны (рис. 5.7) В данном случае целесообразны следующие мероприятия:

Между остеклением и зоной пребывания людей необходимо устраи­вать "буферную зону", исключающую ослепление, перегрев и другие негативные факторы;

В период интенсивной инсоляции следует обеспечить циркуляцию внутреннего воздуха через область значительного нагрева, при этом теплозащитный экран открывается.

Расположение теплоприемников должно обеспечивать максимально возможный приток теплоты в холодный период и минимальный тепло­вой избыток - в жаркий. Наиболее простым устройством, воспринима­ющим поток солнечной радиации и конвертирующим его во внутрен­ний объем, является "Стен Тромба-Мишеля", где теплоноситель- воздух. В большинстве случаев предполагается, что поступление теплоты происходит за счет естественной конвекции и радиационного излучения во внутренний объем (прогретая днем стена отдает свое тепло ночью). Последнее, как правило, малоэффективно. В дневное 122
Время стена в достаточной степени прогревается только на глубину 100 ... 120 м. Ночью эта теплота свободно уходит в окружающую атмос­феру и лишь очень незначительная часть ее за счет теплопроводности доходит до потребителя.

Такая стена в жаркий период является еще и источником дополни­тельного тепла, что вносит существенный дискомфорт. В связи с этим целесообразно на внешней поверхности стены размещать тепловую изоляцию, а в межстекольном пространстве - теплоприемный экран из материала с высокой теплопроводностью (см. рис. 5.3, б). Это позволит за сравнительно короткий зимний день передать во внутренний объем максимально возможное количество теплоты. Теплоприемный экран нагревается до довольно значительных температур - 100 ... 120 °С и естественная конвекция идет достаточно интенсивно. В ночное время каналы циркуляции воздуха закрываются. Тепловые потери при этом сводятся к минимуму. В жаркий период тепловая изоляция на внеш­ней поверхности стены исключает дополнительный перегрев помещений.

При конструировании важно правильно выбрать расстояния между теплоприемным экраном и стеклом - 2 5 l9 а также между экраном и стеной - 2 S2 (см. рис. 5.3, б). Здесь S i и <5 2 примерно равны и могут быть выбраны на основании общеизвестных уравнений пограничного слоя для'естественной конвекции. Наиболее устойчивые результаты дают следующие зависимости [1,2,3]:

Для ламинарного режима

Nu у2

Для турбулентного режима

/ Pr2'3 UUn ^=Н[0,9бкЛ[214+рг?/з) Рг

Где Н — высота теплоприемного экрана, м; Nu — число Нусселъта; Gt - число Грасгофа; Д4 Рт — критерий Прандтля.

Высота теплоприемника в значительной степени влияет на его производительность. Определить наиболее рациональную высоту можно из условия

» 4, (5.13)

Тср

Где оСр- коэффициент теплообмена на поверхности теплоприемного экрана,

При естественной конвекции у плоской стенки таких конструкций dр = 3,5 .... 4 Вт/(м2.°С);

Л

Fx — площадь теплоприемного экрана на 1 м ширины, м : для сложных форм Fx опреде­ляют по всей поверхности контакта; т — массовый расход теплоносителя в межстекопьном

Пространстве на 1 м ширины теплоприемника, кг/ч; с_ — удельная теплоемкость воздуха

1вх+ гвых „ п ч при средней температуре t= 2 Дж/(кг.°С).

В формуле (5.13)

Т = зв001>/>л; (5.14)

. 2GHp - р

^]j------------- 2р » ' (5Л5)

Где il — средняя скорость движения воздуха в прослойке, м/с; р — средняя плотность воздуха в прослойке, кг/м3; Д — толщина воздушной прослойки, мм: д = 4 S ; G — ускоре­ние свободного падения, м/с2; Я — высота между центрами входного и выходного отвер- стий, м; р вх — плотность входящего в теплоприемник воздуха, кг/м, р вых — плот­ность воздуха на выходе из теплоприемника, кг/м3; £ ^ — сумма местных сопротивлений,

Решая уравнение (5.13) относительно fx, можно определить высоту н. Необходимо отметить, что превышение я над расчетной приводит к снижению эффективности теплоприемника. Температура теплоноси­теля растет незначительно, но возрастают теплопотери через остекле­ние и КПД резко падает. Для одноэтажных зданий с большой высотой этажа теплоприемник можно разделить на две части или более.

Площадь живого сечения гжсвходных или выходных каналов определяют из уравнения

Т

ЦР

Где mQ ~ суммарный (т. е. на проектируемую ширину) массовый расход воздуха в межсте - кольиом пространстве теплоприемника, кг/ч.

Рис. 5.8. Схема пассивной закрытой системы с

Аэродинамическим затвором VpM^

1 — стена; 2,5 — выходной и входной воздушные n; каналы; 3 — межстекольное пространство; 4 —

Стекло; 6 — теплоприемный экран; 7 — тепловая ^Ov^/r'

Изоляция; 8 — аэродинамический затвор 'Чу^г^

Практика эксплуатации теплоприемников с циркулируемой воздуш­ной прослойкой показывает, что достаточно интенсивное движение воздуха у пола помещений и особенно у входных каналов отрицатель­но сказывается на здоровье обитателей "солнечного" дома. Здесь целесообразно установить защитный экран, играющий одновременно •роль аэродинамического затвора (рис. 5.8).

Наружное остекление теплоприемника должно быть по возможности герметичным. Однако на практике используют стандартные оконные блоки, чаще деревянные, которые не обеспечивают хорошее уплотне­ние. Поэтому желательно дополнительно уплотнить места стыковки оконных элементов. В перспективе, очевидно, необходимо переходить на навесные конструкции теплоприемников заводского исполнения. Это значительно повысит их эффективность и будет способстововать индустриализации строительства. При установке теплоприемников в галереях целесообразно обеспечить свободный доступ к остеклению для осмотра и периодической промывки. В этом случае рамы оконных блоков должны открываться наружу.

Теплоприемный экран в принципе может быть изготовлен из любого материала с высокой теплопроводностью. Окраска должна Ьбеспечи - вать степень черноты порядка 0,6 ... 0,9 по отношению к солнечному излучению.

В последнее время ведется поиск более эффективных, чем плоская, форм теплоприемной части. В частности, рассматривается z-образная, шиповая, чешуйчатая формы и т. п. При выборе типа теплоприемной поверхности необходимо учитывать особенности теплообмена в меж­стекольном канале. Например, z-образной поверхности коэффициент теплообмена <* F тот же, что и для плоской вертикальной стенки, изменяется только площадь контакта поверхности на единицу ширины теплоприемника Fx. Вследствие этого возрастает температура воздуха на выходе из гелионагревателя, а следовательно, и расход в межсте­кольном пространстве - т. В общем значении всего комплекса (^ г*хЖтсс) несущественно увеличивается по сравнению с гелионагре-

Вателем, где используется обычный плоский экран-абсорбер радиаци­онного потока. Значительно большии эффект дает шиповая поверх­ность. Здесь cl F возрастает в 2... 2,5 раза, a fx - на порядок или два [1]. Это дает возможность делать теплоприемник более компактным по сравнению с традиционным, получать больше полезной теплоты с, единицы поверхности и аккумулировать его.

Аккумулирование теплоты в значительной степени определяет эффективность и надежность пассивной системы. Здесь наиболее важным можно считать: определение необходимой теплоемкости аккумулятора; выбор наиболее рациональных режимов подачи и отбора тепла; размещение аккумулятора и его конструирование таким образом, чтобы исключить неоправданные потери теплоты. Выбор теплоемкости и режимов подачи теплоты осуществляются на основа­нии расчетов. Способов размещения аккумуляторов и их конструкций в практике строительства достаточно много [1, 3]. Однако лишь немно­гие отличаются высокой эффективностью, простотой и надежностью эксплуатации.

Одной из главных является проблема тепловых потерь аккумуля­тора. Значительного снижения теплопотерь в окружающее пространст­во можно добиться оптимальным размещением аккумулятора или защитой его высокоэффективной изоляцией. Здесь надо иметь в виду, что размещение аккумулятора в грунте (рис. 5.9, а) требует, как правило, механической вентиляции для транспортирования воздуха [1, 3]. Размещение аккумулятора в объеме здания дает больший* эффект, так как тепло не теряется в окружающее пространство. Однако такой аккумулятор бывает довольно сложно вписать в объем здания (рис. 5.9, б).