СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОИ ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

ПАССИВНЫЕ СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ОТОПЛЕНИЯ

Опыт разработки, строительства и эксплуатации объектов с систе­мами солнечного теплоснабжения, анализ и обобщение мировых достижений в данной области показывают, что одной из наиболее эффективных является пассивная система солнечного отопления, отличающаяся простотой прежде всего с точки зрения конструктив­ного решения.

По общему определению пассивные системы выполняют как функ­ции основного конструктивного назначения (элементы здания), так и функции восприятия, аккумулирования и транспортирования тепла. Эффективность системы достаточно высока и обеспечивает до 60 % отопительной нагрузки [1, 3].

Пассивные системы условно могут быть разделены на открытые и закрытые.

В открытых системах солнечные лучи проникают в отапливаемые помещения через оконные проемы (обычно увеличенных размеров) и нагревают строительные конструкции, которые становятся приемни­ками и аккумуляторами тепла. Необходимо отметить ряд существен­ных недостатков, свойственных открытым системам. Это - неустой­чивость теплового режима; обязательное использование вспомогатель­ной нагревательной системы; негативное, в ряде случаев, влияние интенсивной инсоляции на состояние людей.

В закрытых системах поток солнечной радиации непосредственно в помещение не проникает, а поглощается приемниками солнечной радиации, совмещенными с наружными ограждающими конструкция­ми, которые являются, как правило, и аккумуляторами теплоты.

Рассмотрим некоторые конструктивные решения пассивных систем по мере увеличения их эффективности [1, 3].

Примером открытой системы могут быть построенные в США в 1945 г. Ф. У. Хатчинсоном два здания. Одно из них обычное, а второе

' отличается тем, что все застекленные поверхности (окна, лоджии) ориентированы на юг. Конструктивно они выполнены следующим образом: два оконных стекла толщиной 6 мм разделены воздушной прослойкой 12 мм (рис. 5.1).

Результаты испытаний этих домов показали, что зарегистрированное количество тепла, поступающего через окна с двойным остеклением, для большинства городов США достаточно для компенсации тепловых потерь. В период испытаний было отмечено следующее:

В "солнечном доме" без какой-либо дополнительной системы отопле­ния при температуре наружного воздуха 0 ... 1 °С средняя температура внутреннего воздуха в течение суток поддерживалась в пределах +14... +15 °С;

В ночной период наблюдалось снижение температуры внутреннего воздуха до +2 °С, в дневные часы - повышение до +27 °С. Эти резуль - I таты явились предпосылкой к разработкам так называемых "солнеч - ' ных зданий" или зданий с "пассивной" технологией обогрева.

Тепловой режим такого здания существенно зависит от теплоакку - мулирующей способности внутреннего объема, включающего строи­тельные конструкции, мебель, оборудование и т. д. В дневное время внутренний массив нагревается и аккумулирует теплоту, которая рас­ходуется в ночные часы. Вместе с тем в зданиях с открытой системой даже при достаточно большом внутреннем теплоаккумулирующем массиве чрезвычайно высока неравномерность суточных температур. Особенно негативным следует считать резкое охлаждение внутреннего объема при отсутствии инсоляции. Происходит это в основном за счет тепловых потерь через значительное по площади остекление здания. В зданиях, имеющих закрытую пассивную систему, внутренние темпера­туры имеют большую стабильность-. Закрытые системы можно условно разделить на системы с циркуляцией теплоносителя (внутреннего воздуха) через пассивный гелионагреватель и без циркуляции.

Так, например, в Великобритании по проекту А. Е. Моргана в 1961 г. была построена школа с пассивной системой без циркуляции тепло­носителя (рис. 5.2). Поток солнечной радиации в дневное время нагре­вает массивную стену здания, которая в ночное время отдает свое тепло во внутренний объем. Здание обогревалось только за счет использования солнечной энергии и незначительных по мощности источников тепла (тепловыделения от людей и источников освещения). Двухэтажное здание школы, рассчитанной на 320 учеников, имеет классы общей площадью 1367 м2. Южная стена площадью 500 м2 остек­лена с внешней стороны. Наружные и внутренние ограждения имеют высокую теплоаккумулирующую способность. Вспомогательная система обогрева отсутствует. По утверждению автора, здание

Ш

Рис. 5.3. Схема здания с закрытой системой Тромба—Мишеля

А — без экрана; б — с теплоприемным экраном; 1 — остекление; 2 — стена здания; 3 — циркуляционные каналы; 4 — тепло - приемный экран

Несмотря на довольно неблагоприятные климатические условия не требует дополнительного отопления.

Вместе с тем подобные системы имеют ряд существенных недостат­ков:

В период работы солнечного нагревателя внутренний воздух в помещении прогревается неравномерно: у стены [гелионагревателя] он имеет наиболее высокую температуру, а при удалении от стены темпе­ратура его существенно падает;

Не представляется возможным осуществить передачу теплого воздуха в другие помещения, особенно значительно удаленные от гелионагревателя.

Примером здания, имеющего систему с циркуляцией теплоносителя через пассивный гелионагреватель, является "солнечный дом" Ф. Тромба и Дж. Мишеля (рис. 5.3, а).

Южная бетонная стена здания отделена от наружного воздуха двойным или тройным остеклением. В верхней и нижней частях стены имеются каналы для циркуляции теплоносителя (внутреннего возду­
ха). В период инсоляции воздух, находящийся в воздушной прослойке между стеной и стеклом, нагревается и поступает через верхние каналы в помещение. Этот воздух замещает прохладный, поступающий из помещения через нижние каналы. Таким образом, за счет естествен­ной гравитации происходит циркуляция внутреннего воздуха помеще­ния через гелионагреватель.

По сравнению с системой без циркуляции теплоносителя система Тромба-Мишеля имеет существенные преимущества:

Внутренний воздух прогревается более равномерно и нагрев его начинается уже в ранние утренние часы;

Представляется возможным обеспечить циркуляцию внутреннего воздуха в помещениях, непосредственно не примыкающих к гелионаг - ревателю.

В современной практике существует многообразие архитектурных и инженерных решений "солнечных домов". Вместе с тем они по боль­шинству признаков относятся к одному из рассмотренных видов.

Анализ различных видов "пассивных" систем позволил сделать следующие выводы:

Открытые системы малоэффективны для районов со сравнительно низкими температурами наружного воздуха;

В регионах, где в зимний период преобладают отрицательные темпе­ратуры наружного воздуха, целесообразно использовать закрытые системы.

, Необходимо отметить, что пока пассивные системы не получили широкого распространения. Незначительное число действующих объектов не позволяет сделать достаточно убедительных выводов о степени эффективности этих систем. Их аналитическое моделирование и расчет вызывают определенные трудности, а отсутствие широко известной инженерной методики усложняет их реальное проектирова­ние.

Ниже изложены результаты разработки отдельных аспектов проек­тирования зданий с пассивной технологией преобразования энергии солнечного излучения. Конкретные примеры расчета пассивных систем позволяют комплексно решать эти задачи в каждом случае примени­тельно к* региону строительства и особенностям климатических условий.