ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР
К этим простым системам отопления можно добавить еще один важный и полезный элемент: аккумулятор тепла. Еще в 40-х годах исследователи в Массачусетском технологическом институте занимались совмещением накопителя солнечного тепла и самого солнечного коллектора. Достигнутое в результате этих работ общее упрощение системы солнечного отопления и охлаждения весьма убедительно. Благодаря отказу от системы транспортных коробов, труб, вентиляторов и насосов, а также теплообменников и сложных органов управления экономятся значительные средства, снимаются расходы на эксплуатацию и ремонт, реально повышается комфорт и эффективность. Эксплуатационные характеристики нынешних систем могут быть лучше, чем у систем, которые разрабатывались Массачусетским технологическим институтом, главным образом благодаря совершенствованию изоляции и методов ее применения.
На рис. 3.15 показан вариант дополнения теплоаккумулирующей стены к термосифонному вертикальному солнечному коллектору. При попадании солнечных лучей на зачерненную поверхность стены бетон поглощает некоторое количество тепла,
Одновременно другая часть тепла нагревает воздух, который поднимается вдоль коллектора и поступает в помещение. Поглощенное бетонной стеной тепло медленно распространяется внутрь стены по ее толщине и после захода солнца излучается в здание, в то время как теплые конвективные потоки продолжают циркулировать между черным бетоном и прозрачным покрытием. Размеры таких систем можно подобрать так, чтобы поддерживать комфорт в течение нескольких дней облачной погоды.
Как и в случае охлаждения под действием обратной циркуляции за счет термосифонного эффекта, теплоаккумулирующая стена способна также накапливать прохладу ночью после жаркого дня и хранить ее для последующего использования в дневное время. На внутренней поверхности стены можно поместить изоляцию, чтобы уменьшить количество поглощенного полностью тепла, поступающего от стены, и предупредить перегрев. Тепло, накопленное в стене, затем используется в основном благодаря термосифонной циркуляции воздуха. Южный фасад дома на рис. 3.16 выполнен полностью из стекла, за которым находится бетонная стена толщиной примерно 400 мм. Внешняя поверхность бетонной стены шероховата и окрашена в черный цвет для лучшего поглощения солнечной радиации, которая проникает через стекло и поступает на поверхность бетонной стены. На рис. 3.17 показана схема этого дома. Бетон является не только солнечным коллектором, но и аккумулятором тепла. Бетон нагревается под действием попадающей на него солнечной радиации. Солнечное излучение, пройдя через стекло (1), поглощается черной поверхностью (2), нагревая бетонную стену (3). Под действием длинноволнового теплового излучения, которое не может проникнуть через стекло, воздух между бетонной поверхностью и стеклом нагревается и поднимается вверх. Поднимаясь, он проходит через отверстия в верхней части стены и поступает в помещение. Одновременно холодный комнатный воздух замещает нагретый, поступая через каналы в нижней части
/ — вентилятор (необязательно): 2 — солнце; 3 — воздух, нагретый солнечным теплом; 4 —теплообмен излучением; 5— солнечная радиация; 6 — изоляция (необязательно); 7 — прозрачное покрытие, одно- или двухслойное; 8 — зачерненная тепло-поглощающая поверхность с каменной крошкой; 9 — стена — накопитель тепловой энергии солнечного излучения; 10 — место для размещения раздвижных изо-лирующих ставней; 11 — прохладный комнатный воздух
4 Б. Андерсон
Рис. 3.16. Отапливаемый солнечной энергией дом. Построен в 1967 г. в Одейо
Рис. 3.17. Схема обогреваемого солнечной энергией дома. Построен в 1967 г. в Одейо
стены. Избыточное тепло сохраняется в бетоне для использования в периоды отсутствия солнца. Никаких других средств, кроме естественного воздушного потока, в доме для циркуляции теплого воздуха в помещении не применяется. Чтобы не допустить опрокидывания циркуляции под действием холодного ноч- . ного воздуха, нижний входной канал располагается чуть выше низа коллектора, т. е. находящийся там холодный воздух как бы заперт в ловушке.
На рис. 3.18 представлен крупный план стены южного фасада дома с циркуляционными каналами в нижней и верхней частях. В двух таких домах живут инженеры лаборатории солнечных исследований в Одейо со времени их постройки в 1967 г. Примерно две трети потребности в тепле в этих домах удовлетворяются за счет солнечной энергии. Площадь пола каждого из них составляет 93 м2, а площадь коллектора — около 44,5 м2. Сезонная тепловая энергия, обеспечиваемая этой системой, рав-на примерно 600 кВт-ч/м2 поверхности коллектора [4].
Назначение отверстий в западной стене фундамента трех-квартирного здания, показанного в процессе строительства на рис. 3.19 по состоянию на февраль 1973 г., такое же, как и в первых двух домах (в настоящее время строительство дома за-кончено). На рис. 3.20 представлен макет здания, спроектированного архит. Жаком Мишелем в Национальном центре науч-ных исследований. Патентуемые аспекты солнечной отопитель-ной системы защищены через Национальное агентство по вало-ризации исследований (ANVAR).
Схематическое устройство солнечной отопительной системы такого трехквартирного дома показано на рис. 3.21 и 3.22. Основные различия между этой системой и системой в первых домах (см. рис. 3.17) заключаются в том, что окна на южной стороне сочетаются с бетонно-стеклянной солнечной стеной, верхний воздухопровод из коллектора в здание разделен на два меньших канала вместо одного большого и в верхнем канале предусмотрены клапан или заслонка, которые направляют поток нагретого воздуха либо в здание, либо из здания. Режим отопления в зимний период показан на рис. 3.21. Заслонки занимают такое положение, что нагретый воздух из промежутка между бетоном и стеклом поступает в дом. Летом заслонки находятся в ином положении, и прохладный воздух засасывается через отверстие в северной стене здания и попадает в воздушный промежуток между бетоном и стеклом. Воздух нагревается (что способствует засасыванию прохладного северного воздуха) и удаляется наружу через заслонки в верхней части коллектора.
Развитие южной коллекторной стены ниже уровня земли (до 1 м) не только увеличивает общую площадь коллектора, но и создает ловушку для холодного воздуха зимой, препятствую-щую опрокидыванию циркуляции за счет охлаждения.
Первый дом, обогреваемый солнечной энергией, в Одейо был построен в 1962 г. На рис. 3.23 показаны обращенная на юг стена дома, а также сочетание окон и солнечных коллекторов. Основное различие между этой системой и другими построенными в Одейо заключается в том, что аккумулятором тепла в -данном случае вместо бетонной стены является вода. Солнечные коллекторы— это водяные радиаторы, окрашенные в черный цвет и расположенные между остеклением южного фасада и внутренним помещением. Вода циркулирует в системе благодаря естественной циркуляции (насосы отсутствуют) и хранится в баках, находящихся над коллекторами в чердачном помещении. Верхние части радиаторов располагаются непосредственно под окнами, а баки-накопители — выше стены между потолочными балками. На рис. 3.24 показана схема такой системы.
Рис. 3.21. Схема солнечной отопительной системы трехквартирного дома (летний режим) [4]
Рис. 3.22. Схема солнечной отопительной системы трехквартирного дома (зимний режим) [4]
/ — теплоаккумулирующая бетонная масса; 2 — стекло; 3 — зачерненная, шероховатая, теплопоглощающая поверхность: 4 — воздушный промежуток для движения нагретого воздуха; 5 — входное отверстие для прохладного воздуха; 6 -- прохладный комнатный воздух; 7 —окно; 8 — выходное отверстие и заслонка для регулирования воздушного потока в здание или из него; 9 — отверстие для входа теплого воздуха в помещение; 10 — помещение / здание; // — воздушный поток в промежутке между коллектором и стеклом; 12 — гараж или другое поме-щение; 13 — внутренняя стена; 14 — входное отверстие с заслонкой для регулирования потока прохладного северного воздуха для вентиляции летом; 15 — воздухоочиститель
Рис. 3.24. Предложенная автором книги схема термосифонной системы лучистого солнечного отопления с использованием горячей воды; осуществлена в Одейо в 1962 г.
1 — горячая вода; холодная вода; 3 — теплоаккумулирующий бак с водой; 4 — стекло; 5 — зачерненная теплопоглощающая поверхность; 6 — разделитель потока
Теплопоглощающая и аккумулирующая стена может быть' также выполнена из кирпичных блоков. Их можно укладывать друг на друга, а пустоты заполнять песком, землей или винипластовыми мешками с водой. Незаполненные пустоты можно использовать как воздуховоды для естественной циркуляции воздуха. Для аккумулирования тепла можно также использовать набор контейнеров с водой или эвтектическими солями (рис. 3.25).
Одним из самых известных сторонников использования солнечного тепла с применением «пассивной» технологии является Стив Баэр из фирмы «Зоумуоркс корпорейшн» (Альбукерке,
Рис. 3.25. Вариант комбинации в одном устройстве окна, стены, солнечного коллектора и аккумулятора тепла (поперечное сечение)
/ — зазор для раздвижных изолирующих ставней; 2 — стекло или пластмасса; 3 —часть лучистой энергии поглощается эвтектическими солями, часть поступает в помещение; 4 — теплоаккумулирующий материал, например эвтектические соли в пластиковых контейнерах (температура фазового перехода 24° С)
шт. Нью-Мексико). Баэр спроектировал ячейку, которую назвал «зомом», и построил из 11 таких зомов дом площадью около 190 м2. В доме применены бетонный пол и саманные перегородки (рис. 3.26). Его основная особенность как объекта, предназначенного для пользования солнечной энергией, заключается в том, что обращенные на юг стены сложены из цилиндрических емкостей по 200 л каждая, которые наполнены водой и поставлены друг на друга. Каждая такая стена, состоящая примерно из 20 таких бочек, имеет внешнее ограждение в виде однослойного остекления.
Наружные, отражающие солнечные лучи изолирующие шторы шарнирно прикреплены к основанию каждой стены-коллектора. Днем ставни горизонтально лежат на земле, отражая своей поверхностью дополнительный солнечный свет на стеновые цилиндры (рис. 3.27). На ночь шторы вручную поднимаются в вер-тикальное положение, чтобы уменьшить потери тепла от цилин-дрических емкостей в окружающее пространство (рис. 3.28). Шторы имеют алюминиевое отражающее покрытие и изоляцию из картонных ячеек, частично заполненных пеноуретаном. Их приблизительная стоимость составляет около 20 долл, за 1 м2, вес 7,3 кг/м2.
Цилиндры окрашены в черный цвет и поглощают за солнечный день до 1360 кДж/м2. Такой аккумулятор отдает свое тепло
Рис. 3.28. Схема подвижных изолирующих ставней и стены с цилиндрическими емкостями конструкции фирмы «Зоумуоркс корпорейшн»
/ — стекло; 2 — зачерненная поверхность: S — изолирующие ставки; 4 — отражающая солнечные лучи поверхность; 5 — цилиндрические емкости (200 л) с водой; б — ручная лебедка в жилое помещение посредством излучения, конвекции и теплопроводности. Плотность теплового потока может до некоторой степени регулироваться с помощью подвижных штор, размещенных между цилиндрами и жилым помещением. Одной из наиболее интересных характеристик этого проекта является мягкое осве-щение, которое проникает между цилиндрами (рис. 3.29). Обычно цилиндры размещаются в горизонтальном положении. Однако в некоторых случаях Баэр устанавливал их вертикально для того, чтобы уменьшить количество воды на квадратный метр поверхности коллектора. Система Баэра может на 75% покрывать отопительную нагрузку при изменении температуры воздуха в помещении не более чем на 5—8 град.
Летом изолирующие ставни на ночь опускаются, и цилиндры остывают. Днем ставни поднимаются в вертикальное положение, препятствуя проникновению тепла и удерживая прохладу. В процессе эксплуатации следует принимать меры для предотвращения утечки воды из цилиндров.
Другой особенностью объекта является применение банок не-большой емкости, наполненных водой и размещенных под по-толком. Эти банки нагреваются через фонарь верхнего света, оборудованный ставнями. Ветряной двигатель накачивает колодезную воду в бак емкостью 20 м2, откуда она самотеком поступает в дом.
Некоторые из способов изготовления стен здания из цилиндрических емкостей, бетонные стелы дома засыпаны землей с восточной, западной и северной сторон, а изоляция размещена между бетоном и грунтом. Пол также изготовлен из бетона, но без изоляции под ним. Вся южная сторона состоит из комбинации окон и солнечных коллекторов. Единственным источником тепла в доме помимо солнечной энергии являются сжигаемые в печи дрова. Солнечные коллекторы представляют собой бетонные стены толщиной 300 мм, открытые для солнечных лучей в течение дня и защищенные от потерь тепла во внешнюю среду ночью изоляцией типа «Бндуолл». Воздух циркулирует между бетоном и изоляцией. Солнечное тепло поступает также через окна и накапливается в бетонных стенах и полу. Для уменьшения потерь тепла ночью окна закрываются изолирующими ставнями. Вода для бытовых нужд предварительно подогревается, циркулируя по трубам в бетонной стене коллектора, прежде чем поступит в солнечный водонагреватель.
Разумеется, аккумулятор солнечного тепла необязательно должен быть совмещен непосредственно с солнечным коллектором. Если же это сделано, то не всегда он должен быть единственным аккумулирующим устройством. Для хранения избы-точного солнечного тепла можно использовать аккумулирующую емкость самого здания. Однако если эта теплоаккумулирующая способность здания недостаточна или нельзя сконструировать стену, обладающую достаточной теплоемкостью, то аккумуляторы тепла должны быть дополнительно установлены в других местах. На рис. 3.35 показан вспомогательный аккумулятор солнечного тепла, расположенный под полом. На рисунке приведены также другие элементы подобных систем, в том числе вентилятор, который переносит воздух в помещение после его нагрева в стене-коллекторе. Пример того, как можно хранить тепло в перекрытии, показан на рис. 3.36. Теплый воздух подается через промежутки между балками перекрытия. Промежутки облицованы отражающей фольгой для уменьшения потерь тепла и трения воздушного потока. Затем тепло передается 4-л емкостям с водой. Емкости могут быть выполнены из пластмассы, стекла или металла и расположены в произвольном порядке. В качестве средства для аккумулирования тепла, поступающего через окна, может использоваться бетонная плита. Между бетоном и аккумулятором солнечного тепла помещается изоляция, чтобы уменьшить неконтролируемые потери тепла во внешнюю среду.
Другая размещенная под полом система аккумулирования тепла была предложена Дэем Шахруди (рис. 3.37). Теплый воздух из коллектора подается через пустоты в каменных блоках, установленных под полом на торец. Нагретые блоки в свою очередь передают тепло воде, содержащейся в больших матрасообразных пластиковых мешках, которые положены на блоки. Теплый воздух, прошедший над мешками, поступает в здание. Воду теплового аккумулятора можно также хранить в больших железных баках (типа бочек для нефти), которые размещаются в подвале. Теплый воздух из коллектора может циркулировать вокруг и между ними, а прохладный комнатный воздух, также циркулируя вокруг бочек, нагревается.
Аналогичным способом тепло можно аккумулировать, помещая аккумуляторы в других частях здания: в потолках, чуланах и внутренних перегородках. Подобно емкостям с водой, размещенным между балками перекрытия (см. рис. 3.36), их можно разместить и на полках в вертикальных стенах. Аналогичные способы применимы и к размещению в доме высоких контейнеров, заполненных камнями, как это сделано, например, в собственном доме Джорджа Лёфа в Денвере.
По возможности аккумулятор тепла должен находиться в пределах помещения, которое требуется отапливать и охлаждать. Вода в резервуаре на рис. 3.38 нагревается коллектором водяного типа. В свою очередь камни нагреваются от горячего водяного резервуара. Прохладный воздух из помещения засасывается в аккумулятор тепла, поднимается через камни и вновь
Рис. 3.37. Аккумулятор солнечного тепла из пластико „ вых мешков с горячей водой
/ — теплый воздух; 2 — солнечный коллектор: 3 — прохладный воздух; 4 — теплая вода в пластиковых мешках: 5 — проходы между каменными блоками; 6 — изоляция; 7 — гравий
поступает в помещение, нагретое теплом камней. Если в помещении тепло, то жалюзи поверх аккумулятора тепла закрыты. Такой тепловой аккумулятор можно отделять в тепловом отношении от помещения с помощью подвижных изолирующих панелей. Если тепло не требуется, то изоляция удерживает его внутри аккумулятора тепла. Когда требуется помещение нагреть, изолирующие панели удаляются, и тепло отдается аккумулятором в помещение.
В этом разделе рассматривались в основном обращенные на юг вертикальные коллекторы, и на то есть причины, наиболее важной из которых является относительная легкость постройки таких коллекторов по сравнению с наклонными коллекторами, встроенными в крышу. В основном это касается особенностей остекления подобных прозрачных ограждений. Разница в стоимости между фонарями верхнего света и окнами свидетельствует в пользу последних, в частности, потому, что наклонные и горизонтальные крыши и остекление защитить от непогоды труднее, чем вертикальные стены и остекление. Другим важным соображением является архитектурное ограничение применения высоких островерхих крыш. Внутренние помещения под такими крышами трудно использовать.
Крупные здания имеют большую площадь стен и меньшую площадь крыши. При правильном использовании стены могут внести значительный вклад в энергетический баланс здания. Вертикальные стены, выходящие на юг, можно легко затенять летом. Это не дает возможности коллектору достичь высоких, потенциально разрушительных температур. Той немногой энергии летнего солнца, реально попадающей на южную стену, впол- не достаточно для возникновения естественной вентиляции здания.
Общее количество солнечного тепла в ясный день, поступающего на обращенные на юг поверхности, приближается к сезонным потребностям. В большинстве континентальных районов Соединенных Штатов наибольшее поступление тепла на вертикальные южные поверхности отмечается в январе и феврале, т. е. в самые холодные месяцы, а наименьшее — в июле и августе, т. е. в самые теплые месяцы. Как видно из коэффициентов инсоляции в солнечный день, приведенных в разделе «Солнечная радиация», общее количество солнечной энергии, поступающей на вертикальные поверхности в середине зимы, только на 10% ниже, чем на наклонные поверхности, т. е. 20000 кДж/м2 в день против 22 000 кДж/м2. Если же к 20 000 кДж/м2 добавить еще 10—30% от этого уровня энергии, отраженной от снега, то приход солнечной энергии на вертикальные поверхности превысит уровень поступления солнечной энергии на наклонные. Другие отражающие поверхности, такие, например, как зеркало плавательных бассейнов, озер, покрытие пешеходных дорожек из белого гравия и бетона, также лучше взаимодействуют с вертикальными коллекторами.
Иногда кажется неразумным заменять окно, которое непо-средственно пропускает свет и тепло в здание, непрозрачным стеновым солнечным коллектором. Однако к настоящему времени преимущества сочетания окон и коллекторов становятся все более очевидными: во-первых, интерьер помещения может быть нарушен, если весь южный фасад состоит только из стекла и окон; во-вторых, солнечные лучи обесцвечивают и иногда повреждают мебель, полы и ткани; в-третьих, люди часто чувствуют себя неуютно под прямыми лучами солнца, поэтому от посылающего тепло прямого солнечного света защищаются шторами или навесами.
Другая проблема заключается в потере комфорта из-за перегрева, вызываемого стеклянной стеной, несмотря на использование бетонных полов и перегородок. Благодаря солнечным коллекторам и аккумуляторам тепла в южных стенах тепло можно передавать в другие, прохладные части здания или удерживать и хранить его для дальнейшего использования.
Потери тепла в окружающую среду потенциально можно уменьшить с большей эффективностью с помощью стенного солнечного коллектора, чем при использовании простого окна.
