Пассивные солнечные системы отопления

В пассивных системах солнечного теплоснабжения роль КСЭ и аккумулятора теплоты выполняют ограждающие конструкции здания, а движение нагретого солнечной энергией воздуха осуществляется, как правило, путем естественной конвекции. В пассивных системах солнечного теплоснабжения осуществляются:

— прямое улавливание стенами и полом здания солнечной энергии, поступающей через окна большой площади, расположенные в южной стене;

— накопление тепловой энергии аккумулирующей массой (стены, пол, емкости с водой);

— улавливание солнечной энергии в пристроенной к южной стене здания теплице и передача теплоты внутрь помещений.

Для снижения теплопотерь здания в ночное время на светопрозрачных поверхностях предусматривают тепловую изоляцию (щиты, ставни и т. п.).

Для отопления зданий используются следующие типы пассивных гелиосистем:

1) с прямым улавливанием солнечного излучения, поступающего через остеклённые поверхности большой площади на южном фасаде здания или через примыкающую к южной стене здания солнечную теплицу (зимний сад, оранжерею);

2) с непрямым улавливанием солнечного излучения, то есть, тепло-аккумулирующей стеной, расположенной за остеклением южного фасада;

3) с контуром конвективной циркуляции воздуха и галечным аккумулятором теплоты.

Пассивные системы составляют интегральную часть самого здания [2, 6], которое должно проектироваться таким образом, чтобы обеспечивать наиболее эффективное использование солнечной энергии для отопления. Наряду с окнами и остеклёнными поверхностями южного фасада для улавливания солнечного излучения также используются остекленные проемы в крыше и дополнительные окна в верхней части здания, которые повышают уровень комфорта человека, так как исключают прямое попадание солнечных лучей в лицо. Одно из важнейших условий эффективной работы пассивной гелиосистемы заключается в правильном выборе местоположения и ориентации здания на основе критерия максимального поступления и улавливания солнечного излучения в зимние месяцы.

Пассивные системы просты в конструкции, но для их эффективной работы требуются регулирующие устройства, управляющие положением тепловой изоляции светопрозрачных поверхностей, штор, заслонок в отверстиях для циркуляции воздуха в теплоаккумулирующей стене.

Прямое улавливание солнечной энергии может эффективно осуществляться при соблюдении следующих условий:

1) оптимальная ориентация дома – вдоль оси восток-запад или с отклонением до 30° от этой оси;

2) на южной стороне дома должно быть сосредоточено не менее 50-70% всех окон, а на северной – не более 10%; при этом окна, расположенные в южной части здания, должны иметь двухслойное остекление, а в северной части здания — трёхслойное остекление;
3) здание должно иметь улучшенную тепловую изоляцию и низкие теплопотери, обусловленные инфильтрацией наружного воздуха через неплотности в строительных ограждениях;

4) внутренняя планировка здания должна обеспечивать расположение жилых комнат с южной стороны, а вспомогательных помещений – с северной;

5) должна быть обеспечена достаточная теплоаккумулирующая способность внутренних стен и пола для поглощения и аккумулирования теплоты солнечной энергии;

6) для предотвращения перегрева помещений в летний период над окнами должны быть предусмотрены навесы, козырьки и т.п.

КПД такой системы отопления, как правило, составляет 25-30%, но в особо благоприятных климатических условиях может быть значительно выше и достигать 60%. Существенным недостатком этой системы являются большие суточные колебания температуры воздуха внутри помещений.

Пассивные системы прямого улавливания солнечной энергии имеют наименьшую стоимость для вновь строящихся зданий.

Пассивные системы имеют такой же срок службы, как и само здание, и весьма низкие текущие эксплуатационные расходы.

Использование системы прямого улавливания солнечной энергии в существующих зданиях связано со значительными трудностями, поэтому их применение в этих случаях нецелесообразно.

Необходимо учитывать, что площадь остекления южного фасада должна быть значительной, чтобы обеспечить требуемую долю солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки, а теплоаккумулирующие элементы (теплоаккумулирующая масса) должны быть размещены в наиболее благоприятных местах, чтобы на них попадали солнечные лучи большую часть дня. Вместо остекления вертикальных стен или наряду с ним может быть использовано остекление элементов крыши и чердачных помещений, сообщающихся с жилыми помещениями. При этом облегчается задача размещения теплоаккумулирующих элементов, возникает меньше «солнечных зайчиков» и уменьшается затенение теплоаккумулирующей массы предметами интерьера и экстерьера.

Важнейшее требование, предъявляемое к пассивным системам теплоснабжения, состоит в необходимости обеспечения теплового комфорта и регулирования температурного режима в помещениях. В помещениях с пассивным использованием солнечной энергии комфорт обеспечивается при более низких температурах воздуха по сравнению с обычными зданиями, так как температура строительных конструкций всех или большинства помещений выше температуры внутреннего воздуха. При этом строительные конструкции помещений излучают теплоту на человека, отчего ощущение теплового комфорта повышается.

Применение пассивных систем солнечного отопления (ССО) экономически целесообразно в районах с достаточно высоким уровнем инсоляции, большим числом часов солнечного стояния и умеренной температурой наружного воздуха.

Для условий эксплуатации сезонно обитаемого жилища средней полосы России наиболее подходящей является воздушная система теплоснабжения. Воздух нагревается в солнечном коллекторе и по воздуховодам подается в помещение. Удобства применения воздушного теплоносителя по сравнению с жидким очевидны:

— нет опасности его замерзания;

— нет необходимости в трубах и кранах;

— простота и дешевизна.

Недостаток – невысокая теплоемкость воздуха.

Плоский коллектор, помимо прямой солнечной радиации, воспринимает рассеянную и отраженную радиацию в пасмурную погоду, при легкой облачности, то есть, в тех условиях, какие реально имеются
в средней полосе России. Плоский коллектор не создает высокопотенциальной теплоты, как концентрирующий коллектор, но для конвекционного отопления этого и не требуется, здесь достаточно иметь низко потенциальную теплоту.

Неравномерность солнечной радиации в течение дня, а также желание обогревать дом ночью и в пасмурный день обусловливает необходимость устройства теплового аккумулятора. Днем он накапливает тепловую энергию, а ночью отдает. Для работы с солнечным коллектором наиболее рациональным является гравийно-галечный аккумулятор. Он более дешев, прост при проведении строительных работ. Гравийную засыпку можно разместить в заглубленной цокольной части дома, покрытой тепловой изоляцией. Теплый воздух нагнетается в аккумулятор с помощью вентилятора.

Для дома жилой площадью 60 м 2 объем теплового аккумулятора составляет от 3 до 6 м 3 . Разброс определяется качеством исполнения элементов гелиосистемы, теплоизоляцией, а также режимом солнечной радиации в конкретной местности. Система солнечного теплоснабжения дома работает в четырех режимах (рис. 8,а ÷ 8,г):

– отопление и аккумулирование тепловой энергии (рис. 8,а);

– отопление от аккумулятора (рис. 8,б);

– аккумулирование тепловой энергии (рис. 8,в);

– отопление от коллектора (рис. 8,г).

В холодные солнечные дни нагретый в коллекторе воздух поднимается и через отверстия у потолка и поступает в помещения. Циркуляция воздуха идет за счет естественной конвекции.

В ясные теплые дни горячий воздух забирается из верхней зоны коллектора и с помощью вентилятора прокачивается через гравий, заряжая тепловой аккумулятор. Для ночного отопления и на случай пасмурной погоды воздух из помещения прогоняется через аккумулятор и возвращается в комнаты подогретый.

В средней полосе России гелиосистема лишь частично обеспечивает потребности отопления. Опыт эксплуатации показывает, что сезонная экономия топлива за счет использования солнечной энергии составляет 60%.

При применении пассивных ССО здания должны иметь улучшенную тепловую изоляцию и удовлетворять требованиям сохранения энергии.

Наряду с получением теплоты эти системы также обеспечивают эффективное использование дневного освещения, благодаря чему снижается потребление электроэнергии.

Стена Тромба в доме — как использовать пассивное солнечное тепло?

В данной публикации мы рассмотрим такое понятие как пассивное солнечное тепло, в частности солнечная стена Тромба.

Применение солнечной стены Тромба — конструкция, советы по реализации

С каждым годом все более становится актуальным применения современных альтернативных источников энергии, которые преобразуют энергию солнечного излучения и наружного воздуха в теплоту. В зависимости от метода получения энергии или теплоты разделяют две системы:

Пассивные системы солнечного теплоснабжения основаны на использовании естественной циркуляции нагретого воздуха, фото 1а.

Активные системы солнечного теплоснабжения работают на комбинированном использовании пассивной системы солнечного теплоснабжения и дополнительных источников энергии, фото 1б.

Фото 1. Пассивные системы солнечного теплоснабжения (а) и активная солнечная система теплоснабжения (один из вариантов): 1 – солнечный коллектор; 2 – бак-аккумулятор; 3 – насос; 4 – электрический подогреватель

К пассивной системе солнечного теплоснабжения относится солнечная стена Тромба.

Что такое солнечная стена Тромба?

Солнечная стена Тромба — это массивная каменная конструкция, которая устанавливается на южной стороне здания за фасадным стекольным ограждением. Эта стена может быть покрыта селективно-поглощающей фольгой или покрашена в черный цвет, фото 2.

Стену Тромба разработал Эдвард Морзе в 1881 г., а французский профессор Феликс Тромб возродил эту идею в 1960 году. Такое устройство стены позволяет собирать и накапливать в себе солнечную энергию за весь солнечный день, а потом это тепло отдавать помещению через определенное время (обычно время отдачи выпадает на ночь). В зависимости от толщины стены Тромба обеспечивается более длительная задержка в отдачи тепла помещению:

• при толщине стены 20 см – задержка происходит примерно на 5 ч;
• при толщине стены 40 см – задержка происходит примерно на 10…12 ч.

Стена Тромба может быть нет только бетонной, но и каменной или кирпичной. Чтобы улучшить теплоотдачу стены создаются специальные отверстия внизу и сверху стены для обеспечения естественной конвекции воздуха, а для более эффективной теплоотдачи устанавливают вентиляторы, для принудительной циркуляции.

Фото 2. Схемы устройства пассивной системы солнечного теплоснабжения (усовершенствованный вариант) с применением стены Тромба: а)-б) работа в зимний период; в)-г) работа в летний период

На фото 2 показано наличие специальных штор и воздушных клапанов (вверху и внизу), которые сокращают теплообмен между массивной стеной и внешней окружающей средой в нужное для того время. Специальные шторы должны быть изготовлены из нетканых тканей и покрыты серебром.

На фото 3 приведены примеры использование стены Тромба в строительстве пассивного дома.

Фото 3. Примеры зданий с использованием стены Тромба

Солнечные лучи проходя через стеклопакет и попадают на бетонную стену, которая устанавливается на расстоянии 100 мм от стеклопакета. Ультрафиолетовые лучи от солнца попадая на поверхность стены нагревают ее, и часть лучей отражаются от стены в виде инфракрасного излучение, которое не проходит сквозь стекла, нагревая, таким образом, еще и воздух.

Рассмотрим кратко режимы работы пассивной системы солнечного теплоснабжения с использованием стены Тромба, табл. 1.

Режимы работы пассивной системы солнечного теплоснабжения с использованием стены Тромба

Период года

Режим работы

Положение устройств

Описание процессов отопления

Зимний период (отопление)

1. Солнечный день Штора поднята, клапаны открыты, фото 2а. Нагревается стены Тромба через стеклянную перегородку и нагревает воздух, находящегося в прослойке между стеклянной перегородкой и стеной. Теплота поступает в помещение от нагретой стены и нагретого в прослойке воздуха, циркулирующего через прослойку и помещение под воздействием гравитационных сил, вызванных разностью плотностей воздуха при разных температурах (естественная циркуляция). 2. Ночь, вечер или пасмурный день. Штора опущена, клапаны закрыты, фото 2б. Теплооттоки во внешнюю среду значительно сокращаются. Температура в помещении поддерживается за счет поступления теплоты от массивной стены, накопившей эту теплоту от солнечного излучения.

Летний период (охлаждение)

1. Солнечный день Штора опущена, нижние клапаны открыты, верхние – закрыты, фото 2в. Штора предохраняет нагрев массивной стены от солнечного излучения. Наружный воздух поступает в помещение с затененной стороны дома и выходит через прослойку между стеклянной перегородкой и стеной в окружающую среду. 2. Ночь, вечер или пасмурный день. Штора поднята, нижние клапаны открыты, верхние – закрыты, фото 2г. Наружный воздух поступает в помещение с противоположной стороны дома и выходит в окружающую среду через прослойку между стеклянной перегородкой и массивной стеной. Стена охлаждается в результате конвективного теплообмена с воздухом, проходящим через прослойку, и за счет оттока теплоты излучением в окружающую среду. Охлажденная стена в дневное время поддерживает необходимый температурный режим в помещении.

Рекомендации по строительству пассивного дома со стеной Тромба

1. Ориентировать дом следует на юг, т.е. стена Тромба должна находиться на южном фасаде дома. Допускается поворачивать дом относительно юга на запад или восток в пределах 30°, что конечно немного снизит эффективность применения стены Тромба, фото 4.

Фото 4. Ориентация пассивного солнечного дома на юг с применением стены Тромба

1. В стене Тромба можно устраивать смотровые полноценные окна.
2. Стену Тромба можно применять при проектировании двухэтажных домов, однако при этом энергия теплоты будет более распространяться на верхний этаж, т.е. на нижнем этаже будет более прохладно, а на верхнем — более тепло.

Поэтому при проектировании дома, в частности его планировке следует эту особенность учесть, и расположить на втором этаже такие помещения, в которых обитатели дома будут больше проводить время: а это может быть:

• кухня;
• гостиная;
• игровая комната;
• личный кабинет.

На первом этаже можно расположить спальни, подсобные помещения – кладовки и гардеробные.

1. Расположение стены под углом 10…20° к поверхности повысит эффективность устройства.
2. При расположении дома на участке следует учитывать следующие факторы:

• особенности ландшафта;
• наличие соседних построек;
• наличие деревьев.

1. Как уже выше отмечалось, что вместо темного окрашивания стены можно наклеить селективное покрытие, которое более эффективно поглощает солнечные лучи (эффективность достигает 90% по сравнению с 60% для окрашенной стены). Селективное покрытие представляет собой тонкий лист медной фольги, на который наносится слой хрома и слой окиси меди черного цвета, для которого свойственна высокая поглощающая способность солнечного света.
2. В зависимости от покрытия стены Тромба применяется разное ограждающее остекление:

• селективное покрытие – однослойное остекление стены;
• окрашенная поверхность – двойное остекление стены.

1. Оптимальная толщина стены Тромба составляет 30 см, но в зависимости от материала из которого сделана стена, толщину можно принимать в соответствии с данными в табл. 2.

Допустимая толщина стены Тромба в зависимости от материала