Энергия солнца и стеклоЗа последние 10 лет значительно изменилось положение с энергообеспечением населения в Украине. Довольно долго наша страна пользовалась дешевым углем, нефтью и газом, которые поступали из Сибири, а развитие местных источников энергии и ее экономия не стимулировались экономическими методами.
Энергия солнца и стекло С проблемами топливного «голода» и — параллельно —загрязнения окружающей среды в мире пытаются бороться уже много лет. С начала 60-х годов в Европе и Америке идет разработка альтернативных источников отопления, в частности, активных и пассивных систем на основе солнечной энергии. По подсчетам ученых при грамотном применении солнечной энергии с ее помощью может производиться нагрев почти всей требующейся человечеству воды, а солнечные системы отопления и охлаждения зданий могут снизить потребность в энергии для этих целей примерно на 80%.
Главными факторами, сдерживающими массовое внедрение солнечных систем отопления, являются дороговизна установок аккумулирования солнечной энергии и преобразования ее в электричество или «направленное» тепло, а также нежелание людей утруждать себя активным участием в процессе установки и эксплуатации таких систем.
Ведь для эффективной работы любой системы, предназначенной использовать энергию солнца, необходимо содействие непосредственных пользователей этих систем.
В качестве перспективной альтернативы дорогим солнечным коллекторам и фотопреобразователям можно предложить пассивные системы отопления, использующие всего два универсальных элемента: энергию солнца и свойства стекла.
Системы отопления на основе энергии солнечного излучения
Большая часть энергии, которую мы получаем от солнца, поступает в виде коротковолнового излучения. Когда это излучение падает на поверхность твердого или жидкого тела, поглощается и преобразуется в тепловую энергию, тело нагревается и отдает часть энергии окружающей среде (воздуху, воде, другим твердым и жидким телам) и вторично излучает его на другие тела, имеющие более низкую температуру. Это излучение является длинноволновым.
Стекло, легко пропуская коротковолновое излучение, является плохим проводником длинноволнового излучения. После того как энергия солнца проникла через стекло и была поглощена каким-либо телом, находящимся за ним, тепловая энергия путем излучения передается наружу значительно хуже. Следовательно, стекло работает как тепловая ловушка. Это явление известно под названием «парниковый эффект». Именно на парниковом эффекте основан принцип действия большинства установок, аккумулирующих солнечное излучение и преобразующих его в тепло.
По способу использования солнечной энергии системы солнечного отопления делятся на:
· активные;
· пассивные.
В свою очередь пассивные системы подразделяются на:
· системы прямого обогрева — Рис. 1.А (солнечные лучи непосредственно проникают в помещение через окна, чердачные улавливатели, фонари верхнего освещения);
· системы косвенного обогрева — Рис. 1.Б (перенос теплоты в помещение происходит через промежуточную тепловую среду: стена или крыша используется как коллектор и теплоаккумулятор);
· системы изолированного обогрева — Рис. 1.В — в принципе, представляющие промежуточный вид между активными и пассивными системами, так как в них обогрев осуществляется за счет устройств, не связанных функционально со зданием, но и не являющихся специализированными приборами.
Рис. 1 Типы пассивных систем солнечного отопления
К активным системам солнечного отопления относятся разнообразные солнечные коллекторы (Рис. 2.). Наиболее эффективными являются плоские солнечные коллекторы с алюминиевым корпусом, двумя слоями остекления и поглощательной панелью с селективным покрытием, обеспечивающим минимальные тепловые потери коллектора при лучистом теплообмене, и вакуумированные трубчатые коллекторы с поглощающим элементом с селективным покрытием и концентратором солнечного излучения.
Рис. 2 Конструкция плоского коллектора с площадью 2,52 кв.м и 70-миллиметровым слоем двойной изоляции
Коэффициент полезного действия высокопродуктивных плоских солнечных коллекторов достигает 65%. На протяжении 10-12 часов солнечного летнего дня при средней плотности солнечного излучения 500 Вт/м2 на 1 м2 площади коллектора приходится 5-6 кВт/час энергии. С учетом потерь в трубопроводах (при хорошей изоляции не более 5-8%) и теплообменнике (8-12%) получаем 3 кВт/час/м2 тепловой энергии.
Подогрев воды в солнечном коллекторе можно совмещать с получением электрического тока для домашних приборов с помощью солнечного электрического фотопреобразователя (фотоэлектрической станции). Чаще всего используются кремниевые фотопреобразователи, превращающие поглощаемые солнечные лучи в постоянный электрический ток. Фотоэлектрическую панель, состоящую из последовательно соединенных модульных пластин солнечных панелей, монтируют на крыше, а также на южном, восточном, западном фасадах здания. Избыток дневной солнечной энергии аккумулируется для использования в ночные часы и в пасмурные дни. КПД кремниевых батарей — около 25%. Получаемый постоянный ток преобразуется в переменный для подачи в электросеть здания. Эту электроэнергию, кроме бытовых приборов, можно использовать и для работы насоса перекачки теплоносителя в солнечном коллекторе. Таким образом, теплоснабжение, горячее водоснабжение и электроснабжение дома будут осуществляться за счет неоплачиваемого возобновляемого источника — солнечной энергии.
Основным недостатком работающего на солнечной энергии дома является высокая стоимость солнечных элементов и их низкий КПД. В наши дни наиболее экономичным путем использования солнечной энергии является внедрение технологий, которые не требуют слишком дорогих материалов и применения сложного оборудования — то есть, пассивных систем отопления.
Пассивная система солнечного отопления (ПСО) — это энергетическая система, в которой процессы приема, накопления и использования солнечной энергии для отопления осуществляются естественным путем в архитектурно-строительных элементах здания. Эти элементы являются органичными компонентами здания в отличие от активных систем, в которых используются узкофункциональные приборы.
Основные особенности пассивных систем солнечного отопления:
1. использование самопроизвольных физических процессов для преобразования солнечной энергии в энергию отопления;
2. отсутствие механических или других внешних приводов для осуществления теплообмена в системе (в частности, циркуляционных насосов);
3. совмещение в одних и тех же элементах здания конструктивных, ограждающих и теплогенерирующих функций.
Наиболее простым примером ПСО является система прямого нагрева (Рис. 1.А). Солнечные лучи проникают в помещение через окно, солнечная радиация поглощается внутренними поверхностями помещения и накапливается элементами здания. Накопленное тепло затем постепенно отдается этими элементами уже после того, как солнце перестает нагревать помещение. Для приема солнечной энергии используются обычные элементы здания, например, окна бокового и верхнебокового освещения, расположенные на южном фасаде, фонари верхнего света (Рис. 3.). Для снижения теплопотерь через остекление в ночное время и в пасмурную погоду могут применяться различные способы теплозащиты.
Рис. 3 Система прямого наргева со световым люком в атриуме
Предположим, что на каждый квадратный метр окна ежедневно поступает около 10000 кДж тепла (это соответствует энергопоступлениям в наших широтах). Если окно имеет двойное остекление, то можно считать, что в помещение поступит около 8000 кДж. Если средняя температура наружного воздуха составляет около 20С, то потери тепла за сутки составят около 4200 кДж. Чистое поступление тепла будет равно примерно 3700 кДж. Окно в качестве солнечного коллектора имеет КПД примерно 37% (3700:10000). Эта величина КПД сравнима с сезонным КПД размещенного на крыше коллектора, который можно считать специальным оборудованием. Однако второму варианту свойственна существенно меньшая цена и простота конструкции.
В системах косвенного нагрева (Рис. 1.Б), использующих, например, стену как коллектор и аккумулятор, солнечная радиация проникает через прозрачный экран и поглощается массивной стеной с темной поверхностью. Немедленный обогрев помещения обеспечивается конвективным потоком воздуха, а «отсроченный» — за счет теплоотдачи от внутренней поверхности стены.
«Солнечные стены» — термин, который применяется по отношению к пассивным системам, которые являются частью наружной стены и собирают солнечную энергию. Собранное тепло передается прилегающим комнатам без вентиляторов, насосов и других активных систем. Вариантов исполнения таких устройств очень много.
Например, в так называемой «водяной» стене (Рис. 1.Б. 5) устанавливаются большие железные барабаны. Их наполняют водой и помещают за стеклянным фасадом с южной ориентацией. Концы барабана, окрашенные в темный цвет, поглощают тепло, а сами барабаны функционируют как радиаторы, если появляется потребность в тепле. Во избежание теплопотерь в ночное время действующие затворы закрываются (Рис. 4.).
Рис. 4 Стена с барабанами
К пассивным системам солнечного отопления также относятся (Рис. 1.Б.): стена конструкции Тромба-Мишеля, теплица, оранжерея, стена, заполненная прокачиваемой насосами водой, водяная крыша (Рис. 1.Б.6.), «энергетическая крыша».
К системам изолированного нагрева (Рис. 1.В.) относится так называемый термосифонный нагрева-тель (Рис. 5.). Термосифонный водонагреватель состоит из обычного плоского коллектора и располагаемого над ним бака-аккумулятора. При попадании солнечного излучения на коллектор пластина коллектора нагревается, передавая воспринимаемое тепло трубам, и нагретая вода поднимается в верхнюю часть бака-аккумулятора. Здесь по мере необходимости происходит отбор тепла в сеть потребителя путем прокачивания воды внутреннего контура через бак. Охлажденная в баке вода поступает обратно через нижний трубопровод в коллектор. Практическое использование термосифонных систем в качестве пассивных систем гелиоотопления сводится к объемному нагреву баком-аккумулятором помещений, расположенных на некоторой высоте, например, комнат второго этажа коттеджей. При этом бак-аккумулятор расположен внутри комнаты так, что пространство может нагреваться радиацией или конвекцией от его поверхности.
Рис. 5 Система изолированного нагрева
Отметим, что для наибольшей эффективности в пассивных солнечных системах должны использоваться изолированные затворы, обеспечивающие контроль теплового потока и сводящие до минимума теплопотери в ночное время или пасмурные дни.
Организация ПСО возможна как в уже существующих зданиях, так и в проектируемых. Для оптимального использования солнечного отопления в домах необходимо, чтобы здание удовлетворяло трем основным требованиям:
1. Здание должно выполнять функцию солнечного коллектора, впускать солнечные лучи, когда требуется тепло, и препятствовать их проникновению, когда такой потребности нет. При необходимости здание должно также пропускать 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 затеняющие средства (навесы, жалюзи, озеленение и т.д.).
2. Здание должно быть солнечным аккумулятором, сохранять тепло, чтобы его можно было использовать в холодное время, когда солнце не светит, а также хранить прохладу во время жарких периодов. Наиболее эффективны в этом отношении здания, построенные из тяжелых материалов: камня, бетона.
3. Здание должно быть хорошей тепловой ловушкой, 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.
Добавим, что ПСО могут отличаться друг от друга вариантом использования парникового эффекта, но остекление, обеспечивающее улавливание солнечной энергии, является обязательным для всех систем. Причем с помощью современных технологий можно существенно модифицировать первоначальные свойства стекла, усилив его теплопоглощающую или теплоизолирующую способность.
Помимо использования для отопления, охлаждения зданий и подогрева воды, солнечная энергия может быть преобразована в электрическую.
1. Используя низкотемпературную разность на уровне 16-220 между нагретыми солнцем верхними и нижними холодными слоями воды в океане, может работать тепловая машина. Такая машина имеет привод на генератор, вырабатывающий электроэнергию или водородное топливо.
2. Используя энергию ветра, вызываемого солнечной радиацией, можно вращать воздушную турбину (ветряной двигатель), которая в свою очередь является приводом генератора, вырабатывающего электроэнергию.
3. Используя солнечную энергию, с помощью фотосинтеза можно выращивать растения и другие организмы типа водорослей, которые могут служить топливом вместо угля после соответствующей обработки.
4. Непосредственное преобразование солненой энергии в электроэнергию может быть осуществлено с помощью фотоэлектрических преобразователей.
Существует три основных приема улучшения энергетических свойств остекления:
1. Нанесение покрытий на поверхность стекла: например, специальных пленок. Современные разработки спектрально-селективных покрытий и покрытий с низкой степенью черноты (Low-E покрытия) позволяют улучшить теплозащитные свойства остекления.
2. Использование различных конструкций стеклопакетов. Этот метод предполагает применение в стеклопакете либо нескольких, зачастую различных стекол, либо пленок, газового заполнения пространства между ними и использования дистанции между стеклами с улучшенными теплозащитными свойствами.
3. Изменение самого стекла путем преобразования его химических или физических характеристик. В результате такого изменения стекло приобретает улучшенные свойства по светопропусканию, пропускающей способности солнечного тепла, отражательной способности и т.д.
Применение пассивных систем отопления дает экономию примерно 30-40% от общих затрат тепла на традиционное отопление дома. Однако следует помнить, что ПСО следует рассматривать как средство повышения тепловой эффективности зданий, применяемое в комплексе с остальными приемами и средствами поддержания требуемого микроклимата и экономии топливно-энергетических ресурсов. ПСО, как правило, не обеспечивают полного покрытия отопительной нагрузки и должны применяться совместно с другими системами отопления, использующими как традиционные, так и возобновляемые источники энергии.
В своих Memorabilia (III, viii, 8-14) Ксенофон записал некоторые положения учения Сократа (470-399 до н.э.), касающиеся жилища: «И опять его высказывание о жилище… было уроком по искусству строительства домов такими, какими они должны быть. Он так подходил к проблеме: «Должен ли тот, кто хочет иметь хороший дом, придумать его как приятным, так и пригодным для жилья?». Получив утвердительный ответ, он спрашивал: «Приятно ли иметь его прохладным летом и теплым зимой?». И когда они соглашались с этим, он говорил: «В домах, обращенных фасадом на юг, солнечные лучи проникают в портики зимой, но летом путь солнца проходит над нашими головами и над крышей, и потому там всегда тень. Тогда, если это является наилучшим расположением, мы должны возводить южный фасад выше, чтобы воспользоваться зимним солнцем, а северный фасад ниже, чтобы отгородиться от холодных ветров».
Первые большие остекленные поверхности для приема солнечного света — стеклянные крыши — появились в Англии в начале 18 века. Позднее создавались сооружения, в которых основными конструктивными элементами были оранжереи, стеклянные галереи или остекленные площади (вокзалы, универсамы, выставочные павильоны, пассажи и торговые ряды). В большинстве случаев остекленные пространства этих зданий представляли собой функционально-планировочные элементы или использовались для озеленения помещений.
Термин "солнечный дом" впервые получил известность в США в 30-е годы, когда начали применять большие , обращенные к югу окна, чтобы косые лучи низкого зимнего солнца могли проникать внутрь помещений.
Было отмечено, что при этом удавалось экономить топливо в течении дня, однао запасать солнечную энергию было невозможно, поэтому в ночное время и в период облачности тепловые потери были настолько велики, что экономия топлива в течении всего отопительного сезона оказывалась относительно малой.
Некоторые рекомендации по проектированию и размещению ПСО
Размещать здание с ПСО нужно исходя из соблюдения нормативных требований по инсоляции основных помещений и территории участка.
Гелиоприемные поверхности должны находиться за пределами затенения.
ПСО необходимо защищать от ветра. При наличии сложного рельефа здания с ПСО лучше помещать на южных склонах.
Оптимальной формой участка общественных зданий является квадрат, а размещать здание на участке желательно в северной его части для обеспечения необходимых разрывов без увеличения площади застройки.
При проектировании общественных учреждений с ПСО в качестве встроенно-пристроенных объемов рекомендуется устраивать их у южных торцов (при меридиональной постановке жилого дома) и у южных фасадов (при широтной постановке).
При проектировании сблокированных зданий различного назначения оптимально использование системы типа «оранжерея» в виде остекленных пассажей, внутренних дворов, коммуникационных галерей, информационно-распределительных пространств.
Планировочное решение отапливаемого солнечной системой помещения должно отвечать требованию наилучшего распределения теплового потока от теплоаккумулирующего массива стены. Для этого желательно мебель и громоздкое оборудование размещать вдали от внутренней поверхности теплоаккумулирующей стены, планировочное решение принимать по принципу свободной планировки с применением раздвижных перегородок и перегородок из секций мебельного оборудования, по габаритам меньшим, чем высота помещения. А также использовать двухсветные и многосветные пространства для улучшения распределения тепла по вертикали.
В многоэтажных зданиях с ПСО рекомендуется применять вертикальное зонирование с выделением трех зон: нижних, промежуточных и верхних этажей. В зонах нижних и верхних этажей возможно включение ПСО в структуру здания аналогично малоэтажным зданиям. В зоне нижних этажей удобно устраивать большие оранжереи высотой в один или два этажа с выходом на примыкающие участки. В зоне верхних этажей - проектировать фонари верхнего свта, внутренние остекленные дворики, оранжереи на кровле, мнсардные этажи, чо одновременно повышает и потребительские качества помещений. В зоне промежуточных этажей оптимально подойдут специфические элементы ПСО многоэтажных зданий: эреры, отсекленные балконы, лоджии.
Конструктивные решения зданий с ПСО определяются в соответствии с общими требованиями к конструкциям жилых и общественных зданий и с учетом особенностей пассивных систем.
В зоне нижних этажей удобно устраивать большие оранжереи высотой в один или два этажа с выходом на примыкающие участки. В зоне верхних этажей — проектировать фонари верхнего света, внутренние остекленные дворики, оранжереи на кровле, мансардные этажи, что одновременно повышает и потребительские качества помещений. В зоне промежуточных этажей оптимально подойдут специфические элементы ПСО многоэтажных зданий: эркеры, остекленные балконы и лоджии.
Конструктивные решения зданий с ПСО определяются в соответствии с общими требованиями к конструкциям жилых и общественных зданий и с учетом особенностей пассивных систем.
Внимание!
Возможной серьезной проблемой при эксплуатации пассивных систем отопления может стать перегрев помещений. Чтобы избежать этого, помещения с системами ПСО и солнечные пространства систем косвенного обогрева должны быть обеспечены возможностью интенсивного проветривания. При необходимости системы ПСО нужно оснащать устройствами стационарной и регулируемой солнцезащиты.
В заключение
Солнечная энергия является наиболее мощным и доступным из всех видов нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Солнечное излучение не только неисчерпаемый, но и абсолютно чистый источник энергии, обладающий огромным энергетическим потенциалом. Но хотелось бы еще раз отметить, что при всех преимуществах ПСО и других альтернативных источников отопления наибольший эффект дает комплексное применение мер по теплосбережению, включающее теплоизоляцию ограждающих конструкций и установку герметичных металлопластиковых окон со стеклопакетами, оборудованными специальными стеклами.
Увеличение тепловой зашиты дома с помощью повышения термического сопротивления наружных ограждающих конструкций на 10% ведет к экономии энергии для отопления на 2-4%. Использование раздельных оконных рам вместо спаренных дает экономию энергии в 3%, а использование окон с теплозащитным стеклом увеличивает экономию на 3-5%. Создание теплых чердаков и двойных тамбуров экономит 3-5% энергии на отопление, использование многослойных наружных стен с эффективным утеплителем снижает теплозатраты до 30%, трехслойное остекление окон — до 46%. Экономия тепловой энергии в системах вентиляции и кондиционирования воздуха путем автоматического регулирования температуры приточного воздуха составляет 10%, путем утилизации тепла вытяжного воздуха — 5-10% от затрат тепла на подогрев приточного воздуха.
В то же время внедрение предлагаемых альтернативных технологий сдерживается отсутствием достаточной законодательной и правовой базы на государственном уровне, предусмотренной Законом Украины «Об энергосбережении». Между тем, практически всю территорию Украины можно считать благоприятной для использования солнечной энергии.
Величина энергии солнечного излучения, падающего на 1 м кв. горизонтальной поверхности за год, колеблется от 3,85 ГДж во Львове до 4,99 ГДж в Симферополе. Грамотный подход к организации альтернативной (вспомогательной) системы солнечного отопления может принести и экономические, и политические дивиденды нашей стране. В конце концов, именно от поколения начала XXI века зависит, будет ли Украина экономически развитой, независимой от других государств страной, способной самостоятельно решать проблемы энергоснабжения промышленности и населения, а значит и самостоятельно формировать принципы своих взаимоотношений с миром.
Литература:
М.А. Айзен «Особенности тепловых режимов и разработка метода расчета пассивных систем солнечного отопления», диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Б. Андерсон «Солнечная энергия. Основы строительного проектирования», Москва, «Стройиздат»
«Ограждающие конструкции, совмещенные с гелиоприемниками», КиевЗНИИЭП
А.Р. Ферт, М.А. Айзен, Д.И. Антонюк и др. «Рекомендации по проектированию зданий с пассивными системами солнечного отопления», КиевЗНИИЭП
«Применение пассивных систем для рационального использования энергии в жилых домах», США
«Украина: Энергосбережение в зданиях», Энергетический центр ЕС в Киеве.
Источник
Вход
FAQ
