ЗДАНИЕ КАК АККУМУЛЯТОР СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Исключительно важным для системы, использующей солнечную энергию для отопления, является наличие контейнера для хранения тепла. Здание, представляя собой солнечный коллектор, нуждается в средствах аккумулирования тепла для того, чтобы предупредить возможный перегрев помещений при солнечной погоде и сохранить определенное количество тепла для дальнейшего использования в период отсутствия солнца.
Пожалуй, наиболее эффективным аккумулирующими контейнерами являются составляющие здание стены, перекрытия, крыши и перегородки. Как известно, все материалы, поглощая тепло, хранят его по мере нагрева. Если окружающая температура понижается, то накопленное тепло поступает в окружающую среду, а сами материалы охлаждаются.
Для здания это явление имеет особое значение. Теневая энергия солнечного излучения постоянно в течение дня проникает через стены, крышу и окна здания. Коротковолновое излучение поглощается стенами, перекрытиями и находящимися в помещении предметами после того, как это излучение проникло через стекла. Встречаясь с какой-либо преградой, поступающее излучение превращается в теплоту, большая часть которой поглощается (рис. 2.32). Если предметы и материалы внутри здания вследствие этого воздействия нагреваются выше окружающей температуры, то они в свою очередь начинают выделять тепло, передавая его более холодным предметам и материалам в здании. Воздух в помещении является одним из «материалов», который наиболее быстро нагревается и помогает передавать избыточное солнечное тепло на остальные материалы.
Однако если материалы здания уже прогрелись до температуры воздуха или не могут с прежней интенсивностью поглощать тепло, то воздух, продолжая нагреваться, в конечном счете перегревается, создавая дискомфорт для находящихся в помещении людей. Температура материалов в здании в свою очередь продолжает повышаться, т. е. происходит дальнейшее накопление теплоты. Чем больше теплоаккумулирующая способность предметов и материалов в здании, тем больше потребуется времени для нагрева воздуха до дискомфортного уровня.
После захода солнца в условиях холодной погоды здание может начать быстро терять тепло. В следующей главе будет рассмотрен ряд способов уменьшения тепловых потерь зданий. Но даже если здание теряет очень мало тепла, то все равно это тепло должно возмещаться для поддержания комфортной температуры. Для зданий, которые не аккумулируют солнечное тепло в течение дня, это возмещение тепла для обогрева должно обеспечиваться другими средствами, например дровяными или иными печами, калориферными обогревателями, за счет выделения тепла освещением, машинами и людьми. Однако если здание содержит достаточное количество способного аккумулировать тепло материала и если солнечные лучи могут проникать внутрь здания и нагревать его в течение дня, то такое здание будет отапливаться солнцем даже после его захода. Нагретые материалы будут терять свое накопленное тепло и передавать его внутреннему воздуху по мере его охлаждения. В зависимости от количества солнечного тепла, поступающего в здание, и накопленного
материалами уровня теплопо- терь здания (которые зависят от ряда таких факторов, как количество изоляции, требуемый уровень температуры в помещении, температура наружного воздуха) в здании могут сохраняться комфортные усло-
/ — тепло от солнца, 1000 кДж; 2 —двойное остекление; 3 — потери наружу, 500 кДж; 4 — поступило 800 кДж; 5 — зачерненный бетон или кирпич; б — песок, грунт или бетон; 7 — жесткая конструкционная изоляция; 3 — гидроизоляционный слой; 9 — земля
вия многие часы, а возможно даже и дни без затрат дополнительного тепла от других источников.
Влияние изменения температуры наружного воздуха на тем-пературу воздуха внутри зданий разных типов показано на рис. 2.33, 2.34 и 2.35. Влияние, которое оказывает резкое снижение температуры наружного воздуха на температуру воздуха внутри зданий различных типов, показано на рис. 2.33. Следует отметить, что для легкого здания, например имеющего деревянный каркас, характерно сравнительно быстрое изменение температуры воздуха внутри помещения, даже если это здание хорошо изолировано. Тяжелое, массивное сооружение, построенное из бетона, кирпича или камня и имеющее хорошую изоляцию, поддерживает свою температуру в течение более длительного периода времени. Для уменьшения тепловых потерь изоляция в таком здании должна быть с внешней стороны, аккумулирующей тепловую энергию массивной стены (т. е. находиться между стеной и наружным воздухом). Массивные материалы, которые могут аккумулировать большое количество тепла, являются плохими изоляторами, и чтобы воспользоваться их теплоаккумулирующей способностью, они должны быть расположены в пределах теплового барьера (изоляции), который отделяет внутреннюю часть здания от внешней среды.
Верхняя кривая рис, 2.33, соответствующая изменению температуры внутреннего воздуха, относится к зданию, которое обладает не только большой теплоаккумулирующей способностью, но пристроено к склону холма или покрыто землей. Жесткая плитная изоляция, например из полистирола или уретана, помещается между бетонными или каменными стенами и слоем земли. Одна или более стен могут быть открыты для внешних воздействий, однако температура, как показано на рисунке, опускается очень медленно и устанавливается на уровне, близком к температуре земли..
Летом вступают в силу противоположные условия. Если здание затенено так, что внутрь здания проникает немного солнечной энергии, то поступление тепла будет определяться главным образом теплопередачей через стены, крышу и окна, т. е. будет иметь место процесс, обратный процессу тепловых потерь. Ночью, когда наружный воздух прохладнее, чем днем, поступление этого воздуха в здание либо за счет естественной циркуляции через проемы, например вентиляционные отверстия или окна, либо принудительно при помощи вентиляторов будет охлаждать воздух, а следовательно, и все материалы и предметы в здании. А так как в начале теплого дня они будут холодными, то до того, как нагреются, они в состоянии поглощать и хранить больше тепла, охлаждая воздух в помещении. Таким образом, если эти предметы охлаждены утром, то потребуется определенное время, прежде чем они нагреются до такой степени, что будет необходимо осуществлять кондиционирование воздуха.
Влияние на тепловой режим тех же трех зданий резкого повышения температуры наружного воздуха показано на рис. 2.34.
И в этом случае легкое здание быстро реагирует на изменение наружной температуры, и, несмотря на хорошую изоляцию, его внутренняя температура сравнительно быстро повышается.
С другой стороны, массивные здания за счет более высокой аккумулирующей способности реагируют на повышение температуры в меньшей степени. Здание, пристроенное к земляному откосу или покрытое слоем земли, еще меньше реагирует на температурные изменения наружного воздуха, а при правильном проектировании никогда не будет слишком нагреваться.
На рис. 2.35 показано влияние повышения и понижения температуры наружного воздуха. В случае, если какие-либо дополнительные источники тепла, вроде печей и каминов, не используются, температура воздуха в легких зданиях меняется в широких -] пределах, а в зданиях, изолированных землей, остается почти постоянной.
Рациональное использование природных климатических условий в сочетании с массивностью здания уменьшает потребность \ в энергии. В свою очередь, массивность здания способствует . ^ выравниванию нагрузки на отопительное и охлаждающее оборудование. Если здание быстро не реагирует на изменения наружной температуры, то не требуется очень большой мощности оборудования для обеспечения теплоснабжения для покрытия такой нагрузки, и оно может работать в более стабильном режиме. Итак, одним крайним случаем является легкое, слабоизолированное здание с деревянным каркасом. В прохладный солнечный день в таком здании печь можно не включать совсем. Однако ночью может потребоваться, чтобы печь работала на полную мощность для поддержания комфортной температуры. Другим крайним случаем является массивное, покрытое землей здание, в котором при переменной температуре наружного воздуха может поддерживаться температура на среднем уровне на протяжении нескольких дней, а может быть в течение 10 дней или даже двух недель. Для такого здания достаточно иметь сравнительно небольшую по мощности отопительную систему, которая будет работать в постоянном режиме, обеспечивая в помещении достигнет уровня комфортной.
Для некоторых типов массивных зданий общее потребление энергии снижается. Однако утром отопительная нагрузка может возрастать, если температура в помещении за ночь понизится. Это объясняется тем, что масса здания должна быть прогрета до комнатной температуры прежде, чем температура г в помещении достигнет уровня комфортной.
Все материалы, как правило, имеют разную теплоаккумулирующую способность. Способность материала удерживать тепло оценивается его удельной теплоемкостью, т. е. количеством тепла (в кДж), необходимым для повышения температуры одного килограмма материала на один градус. Например, вода имеет удельную теплоемкость, равную 4,19 кДж/ (кг * К) - Это значит, например, что для повышений температуры 1 кг воды на 1° (К) требуется 4,19 кДж.
Удельные теплоемкости различных материалов, применяемых при строительстве зданий, приведены в табл. 3. К сожалению, лучший из приведенных строительных материалов — бетон, удельная теплоемкость которого составляет 1,1 кДж/ /(кг*К), удерживает лишь одну четвертую часть того количества тепла, которое хранит вода того же веса. Однако плотность бетона (кг/м3) значительно превышает плотность воды. Во втором столбце таблицы приведены плотности этих материалов. Умножив удельную теплоемкость на плотность материала, получим теплоемкость на кубический метр. Эти величины приведены в третьем столбце. Следует отметить, что вода, несмотря на то что обладает наименьшей плотностью из всех приведенных материалов, имеет теплоемкость на 1 м3 выше, чем для других материалов из-за ее сравнительно большой удельной теплоемкости. Низкая удельная теплоемкость бетона до некоторой сте-пени компенсируется его большой строительной массой. Поэтому бетон удерживает значительное количество тепла (1415,9 кДж/м3) по сравнению с водой (2328,8 кДж/м3).
К сожалению, строительство массивных зданий не соответствует современной теории и практике проектирования. Техно-логия и проектирование сейчас сосредоточены на попытках «сделать много, имея немногое», и строительным гением считается тот, кто может использовать наименьшее количество материала в процессе ограждения пространства. Такой образ мышления обычно ограничивается только оценкой применяемых материалов без учета расходуемой энергии или долговечности изделия. Визуальное восприятие веса зданий для некоторых людей является важным эстетическим соображением, и сейчас существует тенденция проектировать и строить сооружения, кажущиеся легкими.
Увеличение массы может также увеличить стоимость здания. Авторитет монолитного бетона то растет, то падает у профессиональных строителей. На их отношение к бетону влияют такие факторы, как его стоимость, наличие, возможности доставки, технология укладки, а также вес.
Для массивных зданий требуется больше материалов, чем для легких. Дополнительную энергию, необходимую для производства большего количества материалов, трудно сопоставлять с энергией, сэкономленной на отоплении и охлаждении, однако массивные здания, как правило, имеют длительный срок службы, и в большинстве случаев они более надежны, чем легкие. (Заслуживающими внимания исключениями являются деревянные дома, стоящие несколько сот лет. Примерами массивных зданий с длительным сроком службы являются греческие и римские храмы, а также западноевропейские соборы.)
Задача увеличения тепловой массы не должна представляться слишком сложной. Одним из решений здесь может быть установка емкостей с водой внутри здания (лучше всего перед освещенным солнцем окном). Однако, вряд ли этот способ придется по вкусу многим людям. Песок, гравий, бетон или вода (в пластиковых емкостях) могут использоваться для заполнения пустот в кладке из бетонных блоков (рис. 2.36). Массивные камины, внутренние бетонные или кирпичные перегородки и даже 50- или 75-мм слой бетона или кирпича на полу могут существенно увеличить тепловую инерцию здания,
В университете шт. Делавэр д-р Мариа Телкес проводит испытания фазопереходных солей, которые применяются для увеличения тепловой инерции. По мере нагрева соли плавятся яри температуре около 24° С, накапливая большое количество тепла. Они высвобождают это тепло при охлаждении ночью. Хотя такие соли находятся в стадии испытаний, их, повидимому, в скором времени можно будет использовать в составе ограждающих конструкций зданий или внутренних перегородок, полов и потолков. Наилучшим местом для размещения таких солей является южная часть здания, которая больше всего нагревается при солнечной погоде.
Устройство изоляции с наружной стороны здания требует творческого решения конструктивных проблем, которые не часто решались удачно. Изоляция обычно помещалась внутри стены (между наружной и внутренней поверхностями) или внутри здания (рис. 2.37). Наиболее трудной задачей при устройстве изоляции с наружной стороны бетонного или кирпичного здания является защита изоляции от влаги, дождя, солнечного воздействия, контакта с людьми и животными. На рис. 2.38 показана схема применения изоляции в виде жестких плит из полистирола толщиной 75 мм, покрывающих наружную поверхность монолитной бетонной стены. Большая часть этой изоляции покрыта землей, однако та часть изоляции, которая покрывает бетон над поверхностью земли, должна быть защищена от возможных повреждений, в том числе и от воздействия солнечной радиации (особенно ультрафиолетовых лучей). Ниже уровня земли изоляция должна быть защищена от влаги, насекомых и грызунов. Стирол можно укладывать в опалубку до заливки в нее бетонной смеси. При этом между двумя материалами достигается очень хорошее сцепление. Однако защита изоляции над уровнем земли требует дополнительных затрат. Один из вариантов такой защиты заключается в нанесении на изоляцию «цементирующего» материала (типа раствора на основе стекловолокна). Другой способ состоит в креплении жесткого листового материала, например влагостойкой фанеры или асбестоцементных плит.
