Solar energy

ПРОЕКТИРОВАНИЕ С УЧЕТОМ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

ПУСТЬ СОЛНЦЕ ВХОДИТ В ДОМ:

Возможность запрячь солнечную энергию может увести нас в сторону и толкнуть на ее использование такими способами, ко­торые затеняют и не учитывают некоторые причины, заставившие нас обратиться к ее использованию. Например, проблема эконо­мии энергии не столь увлекательна, как изобретение хитроумных средств для поимки солнечного тепла. Нет ничего нового и вол­нующего в работе над тем, чтобы солнечные лучи нагревали здание зимой и по возможности не воздействовали на него летом; мы предпочли бы сконструировать «умную», высокоспециализи­рованную машину для выполнения этой простой задачи.

Природа, однако, создает простые и в то же время сложные механизмы, чтобы компенсировать ненадежность и нерегуляр­ность солнечного излучения и температуры. Понаблюдайте за цветами, которые открываются и закрываются с восходом и за­ходом солнца, за животными, которые находят укрытие, чтобы защитить себя от сильной жары, как это бывает в пустыне, и ко­торые зарываются в землю, спасаясь от зимних холодов.

В процессе исторического развития человек создавал свой кров и одежду. Но по мере того, как мы учились преодолевать многие трудности борьбы за существование и делать себя невос­приимчивыми к идиосинкразиям природы, мы также создавали пропасть, которая отделяет нас от существенного понимания и оценки природных явлений. Все больше и больше мы полага­емся на технику и нашу собственную способность решать проб­лемы не только без содействия природы, но и в прямом конфлик­те с ее законами.

В части I содержится краткое введение в некоторые концеп­ции использования солнечной энергии. Одна из наиболее важных из них касается свойств стекла, которые дают возможность про­никать через него коротковолновому излучению и задерживать обратное длинноволновое тепловое излучение. Этот принцип, наз­ванный «парниковым эффектом», справедлив также и для на­шей атмосферы. В определенном смысле Земля является гигант­ским солнечным коллектором. Солнечные лучи интенсивностью более 1250 Вт/м²[1] достигают атмосферы, проделав свой путь от

Солнца до Земли. Определенная часть тепла отражается атмос­ферой, некоторая часть задерживается атмосферными частица­ми, которые нагреваются в процессе облучения. Остальная часть достигает поверхности Земли, которая часть энергии солнечной радиации отражает обратно в атмосферу, а часть поглощает и вторично излучает в атмосферу. Этот процесс вторичного излу­чения может быть мгновенным, например когда лучи попадают на отражающую поверхность, или же может быть задержан на миллионы лет, например на период образования ископаемого топлива. Эта накопленная солнечная энергия отдается в атмос­феру в виде тепла, когда мы сжигаем топливо.

Атмосфера вторично излучает некоторую часть своего тепла обратно в космос. Если бы не огромное количество тепла, кото­рое передается в атмосферу в результате ядерных реакций деле­ния и синтеза и сжигания ископаемого топлива, Земля поддер­живала бы температурное равновесие с космическим простран­ством на постоянном уровне. Иначе говоря, без этого освобождения энергии человеком Земля повторно излучала бы тепло в космос с той же скоростью, с какой она получает его от Солнца. В противном случае, средняя температура Земли меня­ется, становясь либо выше, либо ниже, пока не достигается рав­новесие.

Имея в виду это обстоятельство, многие подвергают сомнению целесообразность собирания солнечной энергии для использо­вания потом с целью выработки электроэнергии или отопления зданий. К счастью, влияние этой деятельности на температуру Земли ничтожно. В течение очень короткого периода времени, обычно самое большее 2 или 3 дня, используемая солнечная энер­гия (например, для отопления здания) преобразуется в тепло, которое в конечном счете переносится в атмосферу (например, вследствие тепловых потерь через стены здания).

Определенные участки земной поверхности испытывают тем­пературные колебания в широких пределах, однако большая теплоаккумулирующая способность Земли (и атмосферной обо­лочки) не дает поверхности Земли слишком охладиться ночью и перегреться днем. Из-за большой теплоаккумулирующей спо­собности Земле требуется долгое время для охлаждения после захода солнца и долгое время для прогревания после его восхо­да. Этим объясняется тот факт, что полуденные температуры выше утренних, несмотря на примерно равные количества сол­нечной радиации в оба периода времени. Этим же объясняется сдвиг во времени между земными и солнечными сезонами. Сере­диной лета для Солнца является летнее солнцестояние — пример­но 21 июня в северных широтах, однако самая теплая погода обычно бывает в июле и августе.

Строительное проектирование должно основываться на ана­логичных принципах. Оно не должно «замечать» резкие измене­ния погоды от часа к часу или от холодных ночных часов к тепсолнечный зимний день, здание раскрывается для поглощения тепла; зимняя ночь, здание закрывается, как кокон. По возможности оно даже не должно «замечать» более резко контрастируемых летних и зимних экстремумов.

Рис. 2Л. Схемы функ­ционирования зданий и качестве коллектора сол­нечной энергии, аккуму­лирующего устройства и ловушки

Существуют бесчисленные примеры архитектурных решений, выполненных с учетом местных условий и основанных на этих критериях. Хорошо известным примером является тяжелая гли­нобитная постройка «индейского пуэбло», характерная для юго- запада США. В течение дня толстые стены из затвердевшей глины накапливают солнечное тепло, преграждая ему путь внутрь дома. Ночью, когда температура в пустыне резко падает, накопленное тепло обогревает внутренние помещения. Теперь уже стены накапливают прохладу ночного воздуха для того, чтобы охлаждать дом в течение дня. Здания, строящиеся из та­ких тяжелых материалов, как камень и бетон, будут вести себя подобным образом во многих климатических зонах.

Помимо устранения влияния суточных колебаний в проекте должно предусматриваться, чтобы здание самомодулировалось и «не замечало» крайностей времен года. Например, в пещерах круглый год наблюдается довольно постоянная температура и влажность. Аналогично этому здания, покрытые слоем земли, со стенами, заваленными снаружи землей или вплотную примы­кающие к склону холма, будут меньше подвержены сезонным температурным колебаниям.

В то же время здание должно проектироваться так, чтобы иметь возможность реагировать на внешнюю среду и другими способами. В солнечные зимние дни здание должно в некотором смысле «раскрываться», чтобы впустить внутрь солнечную ради­ацию, а затем «наглухо закрываться», как кокон, чтобы удер­жать полученное тепло. В летние дни оно должно «закрываться», чтобы уберечься от жары, а ночью «раскрываться», чтобы впус­тить прохладный ночной воздух (рис. 2.1).

Если здание спроектировано правильно, оно будет функцио­нировать подобно солнечному коллектору,собирая тепло, когда светит солнце, и сохраняя его для дальнейшего использования. Здание прекращает работать как коллектор, когда в аккумуля­торе накапливается достаточно тепла или когда поступление сол­нечной энергии прекращается. Например, в летний день коллек­тор здания не должен работать, так как отопление не требуется.

Но он способен работать в обратном порядке как радиатор, про­гоняя теплоноситель через здание, как если бы оно «раскрыва­лось» на ночь.

Важность проектирования здания с учетом взаимодействия с климатом, мощное воздействие которого оказывает большое влияние на здание как жизнеобеспечивающей системы, невоз­можно переоценить. Исключительно важно, чтобы методика ис­пользования солнечной энергии правильно оценивалась с пози­ций вышеизложенного. Это заставит нас обратиться прежде всего к наиболее простым методам изучения солнечной энергии без применения сложного и специализированного оборудования и технологии. Среди специалистов, занимающихся солнечной энергией, эти методы получили название технологии слабого воз­действия и пассивных. Это значит, что конструкция имеет мало подвижных частей и что не применяются механизмы управления и специальное оборудование, подобное используемому в косми­ческой программе или требующее массового производства. Если же такое оборудование применяется, то оно является лишь до­полнением к другим компонентам этой эффективной и в то же время простой системы. Проектировщики таких систем считают, что контроль со стороны человека часто более надежен, чем кон­троль автоматический. Если же оказывается, что это не так, то этот контроль, по крайней мере, более гибок в отношении спо­собностей удовлетворить потребности живущих в доме. Кроме того, проектировщики должны тщательно сопоставлять потреб­ление энергии и наличие ресурсов при производстве этих систем и материалов с экологическими выгодами при их применении.

Одной из самых наглядных иллюстраций преимуществ конт­роля со стороны человека по сравнению с автоматикой является применение открываемых или неоткрываемых окон в зданиях. Все больше новых зданий имеют окна, которые невозможно от­крыть вручную изнутри; такие окна получили наименование «не­открываемых». Существует мнение, что внутренний климат зда­ния более эффективно контролировать с помощью автоматов, чем людьми, живущими или работающими в нем. Автоматы при­званы обеспечивать условия, которые для человека в среднем считаются наиболее комфортными. Но существует несколько «средних» людей: многие испытывают неудобство в «средних» условиях и еще большее число чувствует себя неуютно, если эти автоматы неудачно сконструированы или часто выходят из строя. Когда выходят из строя системы кондиционирования воздуха (обычно в самую жаркую погоду) в зданиях с неоткрываемыми окнами, люди внутри не имеют возможности впустить прохлад­ный наружный воздух и вынуждены ждать, когда будет отремон­тировано оборудование.

Поэтому наилучшим способом использования энергии солнца для отопления явится проектирование и эксплуатация здания, играющего роль естественного солнечного коллектора, по возможноcти без применения специальных технических средств. Для достижения этой цели необходимо, чтобы здание удовлетворяло трем основным требованиям.

1. Здание должно выполнять функции солнечного коллектора. Оно должно впускать солнечные лучи, когда требуется тепло, и препятствовать их проникновению, когда такой потребности нет. При необходимости здание должно также впускать внутрь прохладу. Это осуществляется главным образом путем ориента­ции и проектирования здания так, чтобы дать возможность лу­чам солнца проникать через ограждающие конструкции и окна зимой и не допускать этого летом, используя для этого такие за­теняющие средства, как деревья, навесы, жалюзи и многие дру­гие способы.
2. Здание должно быть солнечным аккумулятором. Оно долж­но сохранять тепло, чтобы его можно было использовать в про­хладное (и холодное) время, когда солнце не светит, а также хранить прохладу во время теплых (и жарких) периодов, когда солнце светит. Наиболее эффективны в этом отношении здания* построенные из тяжелых материалов, таких, как камень и бетон.
3. Здание должно быть хорошей тепловой ловушкой. Оно должно эффективно использовать тепло (или прохладу) и терять его очень медленно. Это осуществляется главным образом путем снижения тепловых потерь здания благодаря эффективному при­менению изоляции, уменьшению инфильтрации воздуха и устрой­ству ставней.

Каждая из этих особенностей здания будет рассмотрена в следующих трех частях. Поскольку основное внимание в этой книге уделяется отоплению, охлаждение будет рассмотрено не столь подробно. Теория тепловых явлений довольно подробно излагается в разделе ресурсов и поэтому в этой части рассматри­ваться не будет, за исключением нескольких основных положе­ний. Физиологические факторы, влияющие на комфорт человека, также будут рассмотрены в разделе ресурсов, основными из ко­торых являются:

• выделение и регуляция тепла в теле человека;
• потери тепла и влаги человеком;
• влияние холодных и горячих окружающих человека пред­метов;
• стратификация воздуха и величина эффективной температуры . (сочетание влияний параметров воздуха, включая температуру, содержание влаги и характер движения).

Существует много других факторов, которые влияют на вели­чину потребления энергии в здании помимо его потребностей в отоплении и охлаждении, а именно: вентиляция и движение воз- духа внутри здания; очистка этого воздуха (особенно в город- :: ских зданиях); контроль влажности этого воздуха; использова- Г ние энергии для освещения, для работы насосов, вентиляторов, механизмов управления и другого механического оборудования, а также наличие внутренних специальных помещений в здании (например, кладовых комнат и лестничных клеток в холодном северном торце здания).

Поскольку проектировщики стремятся обеспечить комфорт для человека, постольку пользователи зданий должны участво­вать в их эксплуатации. Благодаря объединенным усилиям про­ектировщиков и пользователей потребление ископаемого топлива будет уменьшено, что способствует снижению его стоимости и уменьшению загрязнения окружающей среды. Среди простых средств снижения потребления топлива при участии пользовате­ля можно отметить такие, как выключение термостата; когда возможно, задергивание занавесей, опускание затеняющих штор, закрывание жалюзи и ставней; установка зимних оконных пере­плетов; устройство нащельных реек на окнах и дверях; поддер­жание чистоты и эффективности работы отопительного котла; установка зимой временных щитов для защиты от ветра.

Очевидно, что усилия пользователей-владельцев уменьшить потребление энергии будут способствовать расширению эффек­тивного использования солнечной энергии.

Интенсивность солнечного излучения за пределами атмосферы Земли (стандартное значение солнечной постоянной) составляет 1353 Вт/м