Солнечный дом в Сибири

Пример 2.

 Рассчитать количество солнечной  энергии, поступающей через окно  с двойным остеклением площадью 8 м2 в средний облачный день 21 января в доме, расположенном  на широте 48° с.ш.

Через одинарное остекление на южной стороне дома за ясный день 21 января на широте 48° с.ш. проходит 15,91 МДж/м2 в день. Коэффициент затенения берем из табл.2, для двойного остекления без штор Kзат=0,87. Для среднего облачного дня принимаем e=0,6. Количество солнечной энергии, пропущенной окном с двойным остеклением за средний облачный день, равно

Qокнобл=0,6*15,91*0,87*8=66,44 МДж.

Расчет  солнечного   отопления . Стена Тромба и гелиотеплица

Требуемая площадь поверхности (м²) остекленной южной теплоаккумулирующей  стены Тромба определяется по формуле

Aст=αст*Aпол.

Аналогичная формула используется для пристроенной к южному фасаду здания гелиотеплицы (оранжереи, зимнего  сада)

Aтеп=αтеп*Aпол.

Значения удельной площади стены  Тромба ст и пристроенной к южной  стене гелиотеплицы теп, отнесенные к 1 м² площади отапливаемых помещений, зависят от средней для зимнего периода (точнее, для декабря и первой половины января) температуры наружного воздуха в местности, где расположен дом, и материала, в котором происходит аккумулирование теплоты.

 

Таблица 3.

 Удельная площадь остекления  стены Тромба αст и гелиотеплицы  αтеп, отнесенная к 1 м² площади  отапливаемых помещений дома (м²/м²)

Температура воздуха зимой Tв, °C	ст	теп
-10	0,72...1,0	1,05...1,7
-4	0,5...0,93	0,78...1,3
2	0,35...0,6	0,53...0,9
7	0,22...0,35	0,33...0,53

В табл.3 приведены значения удельной площади поверхности остекления стены Тромба ст и примыкающей  к южной стене дома гелиотеплицы (оранжереи, зимнего сада) в зависимости  от температуры наружного воздуха  зимой Tв и способа аккумулирования теплоты. Толщина теплоаккумулирующей стены зависит от вида строительного материала, из которого она сделана. Так, каменная стена должна иметь толщину 200...300 мм, кирпичная - 250...350 мм, а бетонная - 300...450 мм. Стена, составленная из емкостей с водой, должна иметь толщину не менее 150 мм. Суточные колебания температуры воздуха внутри помещений с увеличением толщины стены уменьшаются. Так, при использовании бетонной стены температура воздуха колеблется в пределах +- 7°C при толщине стены 200 мм, +- 4°C при толщине стены 300 мм, +- 2,5°C при толщине 500 мм и +- 1°C при толщине 600 мм. Скорость распространения теплоты в стене определяется отношением коэффициента теплопроводности материала к его объемной теплоемкости: она тем выше, чем больше это отношение. При этом стена может иметь большую толщину.

Пример 3.

 Определить площадь  стены Тромба, необходимую для  покрытия за счет  солнечной   энергии 50% тепловой нагрузки  отопления  помещения площадью 40 м2 при средней температуре  наружного воздуха в зимние месяцы 0...2°C.

По табл.3 находим среднее  значение ст=0,475 м²/м² при Tв=2°C. Для покрытия всей тепловой нагрузки требуется бетонная стена Тромба площадью Aст=αст*Aпол=0,475*40=19 м². Для обеспечения 50% тепловой нагрузки отопления необходимо иметь бетонную стену площадью 9,5 м². При этом температура воздуха в помещениях будет поддерживаться на уровне 18°C при условии, что остальные 50% тепловой нагрузки будут покрываться топливным источником.

Пример 4.

 Определить требуемую  площадь поверхности остекления пристроенной к южному фасаду здания гелиотеплицы при следующих условиях:

редняя температура наружного  воздуха в зимние месяцы равна 0°C;

площадь отапливаемых помещений 120 м²;

доля покрытия тепловой нагрузки за счет солнечной энергии равна 0,6.

Принимаем по табл.3 для бетонной стены  при 0°C теп=0,83. С учетом заданной доли солнечной энергии в обеспечении  тепловой нагрузки получаем требуемую  площадь южной поверхности остекления гелиотеплицы

Aтеп=0,83*0,6*120=59,76 м².

Расчет  солнечного   отопления . Масса теплоаккумулятора и его размещение

Поступающая через светопрозрачные  поверхности остекления солнечная  радиация поглощается частью внутренних поверхностей отапливаемых помещений  здания или отражается или на другие внутренние поверхности. Энергия, поглощенная поверхностью, передается внутрь материала путем теплопроводности. Увеличение температуры теплоаккумулирующих элементов, вызываемое поглощением солнечной энергии, может быть приближенно определено по формуле

t=Qпогл/(V*C'), где Qпогл - количество поглощенной энергии, Дж;

V - объем теплоаккумулирующего  элемента, м³;

C' - удельная объемная  теплоемкость материала, Дж/(м³*°C).

Поглощательная способность  поверхности зависит от материала, из которого она сделана, и ее цвета. При падении солнечных лучей по нормали к поверхности поглощательная способность различных материалов имеет следующие значения:

бетон - 0,6;

красный кирпич - 0,68;

гранит - 0,55;

песчаник - 0,54;

черепица - 0,69;

древесина (сосна) - 0,6.

Поглощательная способность  зависит также от цвета поверхности:

белый - 0,18;

желтый - 0,33;

темно-красный - 0,57;

коричневый - 0,79;

серый - 0,75;

черный (матовый) - 0,96;

светло-зеленый - 0,5;

темно-зеленый - 0,88.

Эффективность  пассивных  гелиосистем  отопления  зданий существенно  зависит от массы теплоаккумулирующих  элементов и их размещения в здании. Увеличение суммарной теплоемкости солнцеулавливающих теплоаккумулирующих элементов, отнесенной к 1 м² площади остекленных поверхностей здания, повышает эффективность  пассивной  гелиосистемы прямого улавливания  солнечной  энергии до определенного предела. При C=175...225 Вт*ч/(м²*°C) график зависимости эффективности системы от общей теплоемкости стремится к горизонтальной линии, т.е. достигается максимальная эффективность. Поэтому минимальная масса теплоаккумулирующих элементов соответствует значению суммарной теплоемкости C, отнесенной к 1 м² площади остекленных поверхностей, пропускающих солнечную энергию внутрь здания, равному 175 Вт*ч/(м²2*°C). При больших значениях массы теплоаккумулирующих элементов вся или почти вся уловленная солнечная энергия полезно используется, поглощаясь теплоаккумулирующими элементами, и не происходит перегрева здания, а суточные изменения температуры воздуха внутри помещений будут небольшими. Верхний предел массы всех теплоаккумулирующих элементов определяется технико-экономическим расчетом.

Пример 5.

 Рассчитать требуемый  суммарный объем теплоаккумулирующих элементов из бетона [C'б=522 Вт*ч/(м²*°C)] и в виде емкостей с водой [C'в=1163 Вт*ч/(м²*°C)] при их суммарной теплоемкости, отнесенной к 1 м² солнцеулавливающей остекленной поверхности, равной C=200 Вт*ч/(м²*°C) для дома с площадью остекления южного фасада Aост=40 м². Объем теплоаккумулирующих элементов из бетона равен

Vб=C*Aост/C'в=200*40/1163=6,88 м³.

Теплоаккумулирующие элементы следует  размещать таким образом, чтобы  они могли непосредственно получать солнечное излучение или поглощать  излучение, отраженное другими поверхностями  интерьера. Наилучшим твердым теплоаккумулирующим  материалом является бетон, затем следуют кирпич, дуб, сосна, гипс. Теплоаккумулирующие элементы могут служить ограждениями здания, т.е. его стенами, полом, потолком. При этом наружная поверхность этих элементов должна быть теплоизолирована. Если толщина теплоаккумулирующего элемента равна 50 мм, то требуемая площадь поверхности элемента, отнесенная с 1 м² светопрозрачного ограждения (остекления южного фасада), составит для бетона 7 м², кирпича 8 м², дуба 11 м², сосны 13 м², гипса 21 м². При толщине бетона 100 мм достаточно 5 м², а при толщине 200 мм - 3 м².

Эти данные относятся к элементам, непосредственно поглощающим солнечное  излучение, т.е. они должны быть размещены  так, чтобы солнечное излучение  попадало на них не менее 4 ч в  день. В случае, когда теплоаккумулирующие  элементы (потолок, стены) расположены так, что на них не попадает прямое солнечное излучение, и они нагреваются за счет отраженного солнечного излучения и излучения внутренних поверхностей или конвективного теплообмена с воздухом, толщина материала или площадь поверхности теплоаккумулирующего элемента, отнесенная к 1 м2 площади остекления южного фасада, должна быть приблизительно в 2 раза больше, чем в первом случае.

Третий вариант размещения теплоаккумулирующих  элементов соответствует случаю, когда они не являются частями ограждения и строительных конструкций, а установлены внутри помещений, отапливаемых за счет прямого поступления солнечного излучения. Это могут быть емкости с водой или элементы, выполненные из строительных материалов. При этом относительная площадь освещенной солнечным излучением поверхности элемента, приходящаяся на 1 м² площади остекления, составляет 2 м² для элемента из кирпича (толщиной 200 мм) или бетона (толщиной 150 мм), а емкости с водой должны иметь объем не менее 0,3 м³ на 1 м² остекления.

Суммарная теплоемкость (Вт*ч/°C) теплоаккумулирующих элементов  составляет

Cак=Aост*C1, где Aост - площадь  остекления (солнцеулавливающей прозрачной  изоляции), м²;

C1 - теплоемкость теплоаккумулирующего  элемента, отнесенная к 1 м² площади  остекления, Вт*ч/(м²*°C).

Требуемый объем теплоаккумулирующих  элементов

Vак=Cак/C', где C' - удельная  объемная теплоемкость теплоаккумулирующего  материала, Вт*ч/(м3*°C).

Пример 6.

 Определить требуемый  объем теплоаккумулирующих бетонных  элементов для помещения площадью  100 м2, имеющего южные окна суммарной площадью 25 м2, при минимально допустимой удельной теплоемкости 200 Вт*ч/(м2*°C).

Общая теплоемкость теплоаккумулирующих  элементов

Cак=Aост*C1=25*200=5*1000 Вт*ч/°C.

Требуемый минимальный объем  теплоаккумулирующих элементов из бетона

Vак=Cак/C'б=5*1000/522=9,6 м³.

Распределение этого объема теплоаккумулирующего материала может  быть выполнено, если на основе плана  и разреза помещения по азимуту  и углу высоты Солнца определить площади  пола и стены, освещаемые Солнцем  в течение не менее 4 ч в день в зимний период. При заданной толщине теплоаккумулирующих элементов и выбранном материале можно определить площади поверхностей освещаемых и не освещаемых теплоаккумулирующих элементов.

Пример 7.

 По данным предыдущего  примера выполнить распределение массы теплоаккумулирующих бетонных элементов стен, пола и отдельно стоящих колонн.

Принять, что масса распределяется между указанными элементами в соотношении 3:2:1.

Суммарный объем теплоаккумулирующих  бетонных элементов составляет 9,6 м³, а объем теплоаккумулирующих стен, пола и колонн равен соответственно 4,8; 3,2 и 1,6 м³.

Объемно- планировочные решения  солнечных  домов

Одноквартирные жилые  дома отличаются наибольшим разнообразием  объемно-планировочных решений. Благодаря  свободному размещению на участке и отсутствию затенения соседними зданиями они могут иметь любую форму плана и ориентацию. Использованию в них  пассивного   солнечного  энергообеспечения способствуют характерное для американского жилища свободное построение внутреннего пространства и отсутствие жесткой фиксации помещений в зоне дневного пребывания. Это облегчает процесс естественной конвекции нагретого воздуха, являющийся основой  пассивного   солнечного   отопления . Кроме того, в США отсутствуют санитарные ограничения на освещение помещений, даже жилых, вторым светом, на размещение жилых комнат ниже уровня земли, а иногда и просто в земле. Все это позволяет проектировщикам с гораздо большей свободой относиться к объемно-планировочной организации жилого пространства, хотя многие решения и кажутся подчас спорными.

В специальной литературе подробно описывались американские  солнечные  дома, построенные в 1930-70 гг. Не рассматривая эти, уже известные  здания, остановимся на постройках и проектах последних десяти лет, публикуемых в периодических изданиях HUD. Разнообразные типы одноквартирных  солнечных  домов можно свести к трем основным принципиальным схемам: компактной, линейно-широтной и павильонной.

Теоретически компактные жилые  дома наиболее характерны для северных районов, линейно-широтные - для южных, где используется прямой, обогрев помещений, а павильонной структуры - для жаркого влажного климата, где требуется усиленное сквозное проветривание. Однако практически эти решения тесно переплетаются, так как в основу  проектирования   солнечного  жилого дома кладется требование его максимальной термальной изолированности. В связи с этим компактные схемы рекомендуются и для жаркого климата, чтобы обеспечить минимум теплопоступлений. В особые группы выделены заглубленные в грунт дома и массивные дома для пустынных районов в силу специфичности их объемно-планировочных решений.

Переоборудование здания в солнечный  дом

Использование  систем   солнечного   отопления  и охлаждения в существующих домах должно стать одной из первоочередных задач. Это обеспечит не только реальное сокращение потребностей в ископаемом топливе, но и сэкономит значительные денежные средства.

 

 

Рис. 1. Размещение солнечных коллекторов  применительно к существующим зданиям:

1 - на существующей крыше или  стене; 2 - коллектор; 3 - только вертикальные  стеновые коллекторы (для широт выше 35°с.ш.); 4 - на пристройке к зданию; 5 - на отдельной конструкции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Как и для новых зданий, переоборудование старых может осуществляться на различных  уровнях технологической сложности, денежных и энергетических расходов и практического подхода.

Существуют три основных способа  переоборудования зданий:

крепление коллекторов к существующим или несколько видоизмененным наружным стенам или крышам домов;

установка коллекторов на пристройку к зданию (крыльцо, гараж, новое крыло);

строительство сооружения для размещения коллекторов отдельно от здания (отдельно стоящий сарай, гараж, амбар или сооружение, построенное исключительно для размещения коллектора.

Из-за ограничений, связанных с  использованием существующих зданий, ориентация и угол наклона коллекторов могут быть неоптимальными. Часто экономические соображения ограничивают возможность изменить имеющиеся условия применения коллекторов и тем самым суживают возможности оптимизации проекта. Конструкция коллекторов, используемых для нагрева воды, обладает несколько большей гибкостью благодаря меньшему размеру коллекторов. Этому способствует и режим круглогодичного их использования, поскольку положение солнечного диска на небосводе меняется в течение 12 месяцев гораздо больше, чем во время более короткого отопительного сезона. Коллекторы для системы солнечного охлаждения с трудом достигают требуемой эффективности даже в наилучших условиях инсоляции, и поэтому по возможности должны иметь оптимальную конструкцию и размещение, что затрудняет их приспособление к существующим зданиям. Для  системы   солнечного   отопления  размер коллектора должен быть более половины площади пола здания, но не менее 10 м². Для приготовления горячей воды коллектор может быть небольшим исходя из нормы 2,5...3 м² на человека.