ПОГЛОЩЕНИЕ ТЕПЛА
Циркуляция воздуха или воды осуществляется в термосифонных солнечных панелях естественным путем без таких вспомогательных источников энергии, как, например, вентилятор, или насос. Этот принцип очень важен для понимания этого по существу простого и в то же время требующего правильного подхода метода использования солнечной энергии. При нагреве солнечными лучами воздуха или воды происходит их расширение и подъем вверх по коллектору. Это движение влечет за собой замещение этих объемов более прохладным и плотным воздухом или водой из аккумулятора солнечного тепла или из здания.
Простейший вид термосифонных солнечных коллекторов показан на рис. 3.1. При использовании большого числа таких коллекторов прохладный воздух в помещении затягивается под основание стены, нагревается и затем выпускается из ее верхней части.
Наиболее значительные исследования в области пассивного использования солнечной энергии, в частности термосифонных коллекторов, проводятся в Национальном центре научных ис-следований под руководством директора центра проф. Феликса Тромба. Лаборатории центра размещены в получившем широкую известность здании, так называемой «Солнечной печи» в г. Одейо, Франция. Само это здание является прекрасным примером использования солнечной энергии для отопления помещений в объеме большого здания на основе предельно простых принципов при отсутствии движущихся частей. На рис. 3.2 показан восточный фасад здания. Северная сторона здания вогнута по форме параболического рефлектора, фокусирующего сол-нечные лучи, поступающие параллельным потоком от зеркальных гелиостатов, размещенных на склоне холма к северу от здания. Гелиостаты Поворачиваются за солнцем и отражают лучи на параболический рефлектор. Другие стены здания центра представляют собой сочетания окон и пассивных термосифонных солнечных коллекторов, от которых это девятиэтажное здание получает примерно половину тепла на отопление. В конструкции солнечных коллекторов черные волнистые металлические панели располагаются за стеклами, покрывающими восточные, южные и западные стены здания. Схема коллектора представлена на рис. 3.3. Солнечная радиация проникает через стекло и попадает на поверхность волнистой металлической панели, которая'находится в объеме, ограниченном стеклами и воздуховодом. По мере нагрева металла нагревается и воздух между поглощающей панелью и стеклом. Нагреваясь, воздух поднимается вверх и через отверстие поступает в помещение. Одновременно более прохладный комнатный воздух засасывается через то же отверстие и опускается вниз между обратной стороной поглотителя и воздуховодом. На рис. 3.4 показан внешний вид окон и коллектора.
Специальное оборудование для хранения тепла в этой системе предусматривалось. Роль аккумулятора солнечной энергии исполняла масса самого здания (особенно бе тонных перекрытий). Из отчетов следует, что температура в служебных помещениях и лабораториях под-держивается на достаточно
Рис. 3.1. Естественное термосифонное движение воздуха через солнечные коллекторы 1 — теплый воздух; 2 — прохладный воздух
Даже в феврале дополнительное тепло требуется только ночью и в облачные дни.
Погодные условия в Одейо особенно благоприятны для такой конструкции. Почти 90% дневных часов в течение года являются солнечными. В летние месяцы температура сравнительно невысока. Это позволяет использовать ориентированные на восток или запад коллекторы, которые в жарком климате сильно перегревают большинство зданий. Кроме того, в отличие от многих больших зданий здесь нет круглогодичной нагрузки на кондиционирование, обеспечение которой могло бы потребовать применения солнечных коллекторов, способных нагревать теплоноситель до более высоких температур для приведения в действие абсорбционного холодильного оборудования. Поэтому эта система является удачным прототипом крупномасштабных пассивных систем.
Как показали расчеты, в стене между поглотителем и внутренним пространством помещения не требуется никакой изоляции . Однако для уменьшения потерь тепла ночью, когда стена должна быть достаточно изолирована, с внешней стороны остекления можно ставить изолирующие ставни. На рис. 3.6 и 3.7 показаны раздвижные ставни, расположенные с наружной стороны здания. Промежуток между двумя прозрачными слоями (стекло или пластик) можно заполнить шариками из полистирола; в этой конструкции «Бидуолл» фирмы «Зоумуоркс корпорейшн» шарики удаляются утром, открывая путь солнцу, и заполняют пространство ночью, обеспечивая изоляцию.
Обычный «плоский» поглотитель необязательно в термосифонных коллекторах должен иметь вид плоского металлического ‘ листа. В разделе о коллекторах воздушного типа в последней части книги рассматривается ряд альтернативных вариантов стандартному плоскому металлическому листу. Вариант, рас- І смотренный здесь, представлен на рис. 3.6, где поверхность поглотителя есть поверхность реальной стены, в данном случае со втопленной в бетон зачерненной каменной крошкой.
Поверхность поглотителя, разработанного Джимом Петерсоном и Марком Томсеном из фирмы «Боулдер эпд Джерри ! Планкетт», г. Денвер, выполнена из алюминиевых жестянок | из-под содовой воды и пива, подрезанных до высоты 50,8 мм, которые прикреплены к листу фанеры. Все устройство окраше- I но в черный цвет и покрыто пластиком или другим прозрачным і материалом. На каждый квадратный фут (0,092 м2) коллектора требуется примерно 10 жестянок. На рис. 3.8 показан вариант этой конструкции, где жестянки разрезаны пополам и прикреплены к стандартной фанерной обшивке обычных каркасных домов.
Рис. 3.7. Вид в плане вертикального термосифонного солнечного коллектора с раздвижными изолирующими ставнями и теплоак- кумулятором в виде бетонной стены
1 — бетонная стена; 2 —стекло: 3 — козырек; 4 —^зачерненная поверхность теплолриемяика; 5 — приточная камера для нагретого солнцем воздуха; 6 — раздвижные изолирующие ставни; 7 — внутреннее помещение
Для обеспечения затенения летом, ИЗОЛЯЦИИ НОЧЬЮ И тер- мосифонирования нагретого солнцем воздуха можно между двумя слоями остекления с промежутком несколько дюймов установить подъемные жалюзи (рис. 3.9), сохраняющие хороший обзор из окна. Одна сторона жалюзи должна быть окрашена в черный цвет, другая — покрыта отражающей серебряной краской. Жалюзи могут иметь много различных положений и функций (рис. ЗЛО).
1. Чтобы обеспечить прямое поступление солнечного тепла в помещение, жалюзи поднимаются наверх, открывая макси-мальный доступ солнечным лучам.
2. Их можно оставить в развернутом положении, повернув пластинки так, чтобы они были параллельны лучам света.
3. Для контролируемого поступления солнечного тепла жа-люзи находятся в развернутом положении и слегка повернуты черной стороной к солнцу: благодаря этому внутрь поступает некоторое количество света и тепла.
Рис. 3.8. Недорогой коллектор воздушного типа, смонтированный на наружных стенах
t — внутренний отделочный слой; 2 — изоляция: 3 —
каркас стены (2X4); 4 — фанера, окрашенная в черный цвет; 5 — рама солнечного коллектора (2X4); 6 — стекло или пластмасса: 7 — распорка; 8 — половинки консервных банок прикреплены к фанере и окрашены в черный цвет, вокруг них циркулирует и нагревается воздух
4. В положении 3 можно организовать циркуляцию воздуха между оконными переплетами, который будет находиться в тепловом контакте с теплой черной поверностью. Этот теплый воздух можно направлять затем либо в аккумулятор солнечного тепла, либо непосредственно в помещение, например в северную часть здания, которая не получает прямого солнечного тепла.
5. Чтобы полностью закрыть путь солнечным лучам через остекление, жалюзи можно повернуть так, чтобы они образовали сплошную вертикальную поверхность. Зимой черная сторона жалюзи может быть повернута наружу, и тепло будет использоваться по схеме 4. В этом положении жалюзи будут оставаться всю ночь, отражая тепло обратно в помещение. За счет увеличения толщины жалюзи путем заполнения их изоляцией можно уменьшить поступление тепла летом и потери тепла зимой.
6. Летом или в жаркую погоду жалюзи своей серебряной стороной должны быть повернуты наружу, отражая солнечное тепло и поддерживая тем самым прохладу в помещении. В этом положении они остаются всю ночь, отражая тепло и удерживая прохладу.
Для повышения эффективности работы системы, обеспечения регулирования движением воздуха и создания небольшой приточной вентиляции к выходному (или входному) концу коллектора можно добавить вентилятор (рис. 3.11). Вентилятор можно также использовать для подачи воздуха в другие части здания, например, в помещения на северной стороне. Таким образом, при правильном сочетании функций окон и солнечных коллекторов можно одновременно обогревать как помещения на солнечной стороне (используя окна), так и помещения в затененной части (используя вентиляторы для подачи нагретого солнцем воздуха).
Для регулирования воздушного потока иногда могут требоваться заслонки (имеется в виду возможность возникновения
охлаждающего эффекта вследствие обратной циркуляции). Это происходит, когда нет солнца и воздух в коллекторе в результате теплопередачи и радиационных потерь тепла наружу охлаждается. По мере охлаждения воздух опускается по поверхности поглотителя и поступает в помещение, затягивая за собой теплый комнатный воздух через верхнюю часть коллектора (рис. 3.12).
Рис. 3.9. Солнечное коллекторное устройство с регулируемыми подъемными жалюзи
1 — позиция 4; 2— черное покрытие; 3 — посере-бренное покрытие; 4 — к тепловому аккумулятору или в северную часть здания; 5 — теплый воздух в помещение; 6 — жалюзи подъемного типа: 7— стекло или пластмасса; 8 — прохладный воздух из помещения; 9 — от теплового аккумулятора или из северной части здания
1— вентилятор; 2 — более узкий воздушный промежуток, чем При отсутствии вентилятора; 3 — теплый воздух; 4 — прохладный воздух
Рис. 3.13. Использование термосифонного эффекта для вентиляции за счет естественной конвекции
1 — теплый воздух; 2 — заслонки; 3 — прохладный воздух
Режим охлаждения, естественно, благоприятен в теплые летние ночи, по, конечно, неприемлем зимой. При помощи таких заслонок также контролируется перегрев помещений в теплую и жаркую погоду. При правильных конструктивных решениях, с их помощью можно регулировать естественную вентиляцию зданий, как показано на рис. 3.13. Прохладный воздух может автоматически засасываться в здание при помощи «дымоходной» системы вытяжки, которую создает поток нагретого солнцем воздуха.
Во всех случаях заслонки могут иметь ручное или автоматическое регулирование в соответствии с внутренними и наружными условиями. Они могут также открываться и закрываться под действием давления, создаваемого вентилятором. На рис. 3.14 заслонку в действие приводит естественное давление
