Солнечный дом в Сибири

уменьшать теплопотери через окна, увеличивая величину R (окно днем обеспечивает нас меньшим количеством тепла, чем теряет его ночью. Если окна ночью изолировать, положительный тепловой баланс можно получить через окна южного фасада дома).

В американской практике в "холодных" районах, давно уже строятся суперизолированные дома с тройным остеклением северных фасадов и усиленной теплоизоляцией наружных поверхностей. Для всех климатических районов определяются оптимальная форма здания, ориентация основных помещений, особенности построения жилой ячейки.

В процессе этих поисков возникают  своеобразные объемно-планировочные  решения, представляющие интерес не только для специалистов в области гелиотехники, но и для проектировщиков жилища: суперкомпактные дома, заглубленные в грунт, и глинобитные здания, различные варианты вертикальной организации внутреннего пространства по типу повышенного атриума и др. Большинство из них не имеют аналогов в отечественной практике, даже при наличии сходных природно-климатических условий. Традиционные дома оборудуются теплицами, световыми фонарями, массивными элементами, аккумулирующими тепло. Своеобразно решаются вопросы организации естественного освещения и вентиляции. Подобный путь совершенствования теплофизических характеристик и структуры дома особенно перспективен в районах с холодным климатом, составляющих большую часть территории России.

В нашей стране, с ее разнообразием природно-климатических условий, вообще нельзя говорить о солнечном доме как некоем однозначном понятии. Недаром в отечественной литературе все чаще появляются термины "энергоактивное здание", "энергоэкономичное здание". Энергетически эффективное здание в районе Средней Азии, оборудованное различными технологическими устройствами для накопления солнечной радиации, будет коренным образом отличаться от такого же здания на Крайнем Севере, где вообще может не быть технологических устройств, но компактная планировка, конструктивное решение и выбор строительных материалов будут направлены на сведение к минимуму теплопотерь. Тут уместно вспомнить парадоксальное на первый взгляд высказывание Д.Уотсона о том, что в некоторых случаях идеал солнечной энергетики не дом с оптимальной отопительной  системой , а дом, в котором отопительная  система  не нужна вообще.

К сожалению, практически во всех регионах нашей страны жилые здания не могут  функционировать без отопительных устройств. Переход на альтернативные решения должен быть обеспечен созданием индустриальной базы и квалифицированными кадрами. С этой точки зрения ориентация на первоочередное внедрение  систем  горячего водоснабжения как наиболее автономной части энергообеспечения дома безусловно правильна.  Солнечный  коллектор, различные типы мобильных теплоизоляционных устройств, аккумуляторов тепла должны стать такими же привычными элементами жилого дома, как радиатор традиционного  отопления . Только после этого можно решить более сложную задачу использования  солнечной  энергии и для  отопления  здания.

В  солнечных  жилых домах  редко встречается одна какая-либо  система  в чистом виде. К упомянутым типам  пассивных   систем  обычно присоединяются несколько коллекторов  активного типа, хотя бы для горячего водоснабжения. В большинстве солнечных домов имеется дублирующий источник энергообеспечения.

Важнейшей задачей американские специалисты  считают выработку методики оценки вклада  солнечной  системы в  энергетический баланс здания. В окончательном виде доля  солнечной энергии обычно выражается в процентах, соответствуя коэффициенту замещения нагрузки, используемому в наших расчетах. В публикуемых проектах  солнечных жилых домов с комбинацией пассивных и активных  систем  доля  солнечной радиации в удовлетворении энергопотребностей дома колеблется от 80% (в районах с максимальным уровнем радиации) до 40% (в северных районах). Это дает возможность хотя бы ориентировочно определять эффективность действия солнечной системы.

В основу расчетов кладется не непосредственная, сиюминутная экономия, а стоимостный анализ на протяжении всего срока функционирования системы, который ориентировочно составляет 20 лет. В работе Д.Уотсона приводится сопоставление стоимости функционирования обычного и солнечного домов за этот срок. Оно показывает, что, хотя применение  солнечной   системы  дает увеличение капитальных затрат ва строительстве на 10%, это увеличение компенсируется сокращением на 60% расходов на  отопление . Конечная экономия в этом случае составила 18%. По данным публикаций ASES, затраты на традиционное топливо при использовании солнечной системы могут быть сокращены на 50-70% при увеличении капитальных затрат на строительство всего на 3%. Однако главным достижением американские специалисты считают все же социально-экологический эффект.

Простой расчет  солнечной  отопительной  системы . Введение

Как правило, в доме с  пассивным   солнечным   отоплением  одновременно используется несколько типов  систем , например, пристроенная к южному фасаду здания гелиотеплица (оранжерея, зимний сад), южная остекленная теплоаккумулирующая стена Тромба и солнцеулавливающие окна южной ориентации (как например, в доме Чемпионов).

При разработке технического задания  и эскизном  проектировании   пассивной  гелиосистемы  отопления  учитываются самые общие ограничения, налагаемые на  систему  следующими факторами:

географическое местоположение здания;

назначение здания;

размеры здания;

допустимая стоимость;

располагаемые или необходимые  материалы.

Последовательность работ:

Эскизная проработка нескольких вариантов  гелиосистемы, заканчивающаяся выбором  предпочтительного варианта.

Разработка детального проекта  и принятие решения относительно:

расположения комнат;

размеров комнат;

ориентации здания;

выбора материалов;

уточнения всех размеров (В результате выполнения этой второй стадии  проектирования  получается вполне конкретная конструктивная разработка здания. Иногда на этой стадии разрабатываются конкурирующие варианты, например отличающиеся различными архитектурно-планировочными решениями или используемыми строительными материалами, с учетом экономических и теплотехнических факторов. Это та стадия  проектирования , на которой принимаются все основные архитектурные и инженерные решения).

Выполнение рабочих чертежей со всеми необходимыми деталями - с указанием размеров, материалов, т.е. со всем, что требуется для осуществления строительства здания с  пассивной  гелиосистемой.

Относительная площадь солнцеулавливающих поверхностей в различных климатических  зонах может составлять 10...100% площади отапливаемых помещений. При это за счет использования  солнечной  энергии обеспечивается обычно определенная доля f (10...80%) тепловой нагрузки  отопления  и соответственно уменьшается расход теплоты от топливного источника. В случае использования подвижной тепловой изоляции, закрывающей в ночное время лучепрозрачные поверхности, теплопотери здания значительно снижаются и эффективность гелиосистемы возрастает в 1,5...2,5 раза.

При расчете  пассивных  гелиосистем  необходимо определить площадь светопрозрачных поверхностей наружных ограждений здания, используемых для улавливания  солнечной  энергии, и массу теплоаккумулирующих элементов пола, стен, потолка.

Как правило, эти элементы выполняются  из бетона, но для аккумулирования  теплоты могут также использоваться емкости, заполненные водой. При этом удельные масса и объем теплоаккумулирующих элементов, отнесенные к 1 м2 площади остекленных поверхностей, ориентированных на юг, определяются в зависимости от доли f (%)  солнечной  энергии в покрытии тепловой нагрузки  отопления как mак=C*f; vак=Cоб*f.

Значения коэффициентов определяются видом теплоаккумулирующего элемента. Так, для емкости с водой C=3 кг/(%*м2) и Cоб=0,003 м2/(%*м2), для бетонной или  каменной стены (пола) - соответственно 15 и 0,0075.

Следует отметить, что величина f практически  соответствует процентному снижению расхода теплоты от обычного топливного источника. Так, например, если требуется  снизить теплопотребление дома на 40%, что соответствует значению f=40%, необходимые масса и объем водяного аккумулятора теплоты составят соответственно 120 кг/м2 и 0,12 м3/м2, а бетонной стены (пола) 600 кг/м2 и 0,3 м3/м2. При f=10...80% удельный объем vак, отнесенный к 1 м2 площади солнцеулавливающих поверхностей южного фасада, равен для емкостей с водой 0,03...0,24 и для бетонной стены (пола) 0,08...0,6 м3/м2.

Рассмотрим пример оценки массы  теплоаккумулирующих элементов  дома жилой площадью 120 м2 при условии, что требуется снизить теплопотребление за счет солнечной энергии на 60% и  что площадь светопрозрачных поверхностей, улавливающих солнечную энергию, равна 40 м2. Аккумулирование теплоты осуществляется в бетонном полу. В соответствии с приведенными выше данными необходимый удельный объем теплоаккумулирующего бетонного пола составит Vак=Cоб*f=0,0075*60=0,45 м3/м2, а всего требуется Vак=40*0,45=18 м3 бетона. Это означает, что пол должен иметь толщину 18/120=0,15 м.

Необходимым условием эффективного функционирования  пассивной   системы   отопления  является рациональное размещение теплоаккумулирующего элемента, обеспечивающее его облучение Солнцем в течение как минимум 4 ч в день. Для этого он должен быть размещен непосредственно вблизи остекления.

Как должно быть ориентировано здание с  пассивным  использованием  солнечного  излучения для  отопления ?

Наилучшая ориентация здания - южная, однако допускается отклонение фасада здания до 30° к востоку или  западу.

 системы  прямого улавливания  солнечной энергии 

стена Тромба и примыкающая гелиотеплица

масса теплоаккумулирующих элементов  и их размещение

Расчет  солнечного   отопления . Прямое улавливание  солнечной  энергии

В  пассивных  гелиосистемах  этого типа улавливается  солнечное  излучение, поступающее внутрь здания через остекленные поверхности  окон в южной стене. Для наилучшего использования солнечной энергии окна южной ориентации должны иметь определенную площадь. Оптимальная величина удельной площади всех южных окон ок, отнесенная к 1 м2 жилой площади дома, зависит от средней температуры наружного воздуха в зимний период (точнее, в декабре-январе) Tв и от степени теплоизолированности дома.

Таблица 1.

 Оптимальная величина удельной  площади всех южных окон в  системе прямого улавливания  солнечной энергии

Температура наружного воздуха  зимой Tв, °C	-10	-7	-4	-1	2	5	7
Удельная площадь южных окон ок, м2/м2 в стандартном жилом доме	0.44	0.4	0.35	0.3	0.26	0.2	0.17
Удельная площадь южных  окон ок, м2/м2 в доме с улучшенной теплоизоляцией	0.32	0.28	0.25	0.2	0.16	0.14	0.12

В некоторых зданиях предусматривается  остекление части крыши или южной  стены чердака, сообщающейся с отапливаемыми помещениями.

 

Пример 1.

 Рассчитать площадь остекленной  поверхности южного фасада дома  площадью 100 м2, необходимую для обеспечения  50% тепловой нагрузки  отопления  . Дом оснащен  пассивной   системой  прямого улавливания  солнечной  энергии, находится в Крыму, а его южный фасад не затеняется. Для данного местоположения дома при относительной площади остекления, приходящейся на 1 м2 жилой площади дома, равной 0,18 м2м2, обеспечивается снижением теплопотребления на 18% (без применения теплоизоляции окон в ночное время) и на 44% (с применением тепловой изоляции), а при ок=0,36 м2/м2 - соответственно на 24 и 68%. Построив график линейной зависимости между ок и снижением теплопотребления (%), можно найти такое значение ок, которое соответствует заданному значению (50%) снижению теплопотребления. Получаем ок=0,225 м2/м2 в случае использования тепловой изоляции в ночное время. Требуемая площадь остекления равна Aок=ок*Aпол=0,225*100=22,5 м2.

Количество солнечной энергии, пропущенной через окно внутрь помещения за определенный промежуток времени (час, день), определяется количеством солнечной энергии, поступающей на вертикальную поверхность в данной местности с учетом ориентации и возможного затенения окна, а также его пропускательной способности.

В таблице приложения приведены  значения суточных количеств солнечной  энергии E, поступающей на горизонтальную поверхность, и Eпр, пропущенной через  окно в вертикальной стене различной  ориентации в ясный день для 21 числа  каждого месяца на широте 40...56° с.ш. При этом величина Eпр отнесена к 1 м2 площади окна.

 

С учетом теплопередачи через окно общее количество солнечной энергии (МДж/дн), пропущенной через окно за день, определяется по формуле

Qост=[Eпр*Kзат+-K*(tв-tн)]*Aок, где

Eпр - количество пропущенной солнечной энергии, МДж/м2 в день;

Kзат - коэффициент затенения  окон (табл.2);

K - коэффициент теплопередачи через  окна, Вт/(м2*K);

tв - температура внутреннего  воздуха;

tн - температура наружного воздуха;

Aок - площадь солнцеулавливающего остекления южной стены, м2.

 

Таблица 2.

 Коэффициент затенения при  толщине стекла 3 мм

Вид остекления	Окна без штор	Жалюзи	Светлые шторы	Темные шторы
Одинарное остекление	1	0.55	0.55	0.7
Двойное остекление с  воздушным зазором 8 мм	0.8	0.5	0.47	0.57

Расчет количества солнечной энергии, проходящей через окна, за средний  облачный день выполняется по формуле

Qокнобл=*Qокнясн=*Eпроп*Kзат*Aок, где  - коэффициент, учитывающий ослабление  плотности потока поступающей  солнечной энергии в облачный  день по сравнению с ясным днем (для ясного дня =1).