Опыт использования солнечной энергии для создания комфортной среды в зданиях

Тараненко Дмитрий Васильевич Лаборант, Сибирский федеральный университет 660041, Россия, Красноярский край, г. Красноярск, проспект Свободный, 82А Taranenko Dmitrii Vasil'evich Laboratory Technician, Siberian Federal University 660041, Russia, Krasnoyarskii krai, g. Krasnoyarsk, prospekt Svobodnyi, 82A dmitrij_taranenko@mail.ru

Введение

На сегодняшний день реализуются различные меры, направленных на повышение энергосбережения; в российском законодательстве эти меры закреплены в ^{[1, 2]}. Согласно ^[3], потенциал сбережения энергии в России в жилищно-коммунальном хозяйстве составляет 26 процентов от общего потенциала энергосбережения российской экономики. В связи с этим, представляет интерес использование солнечной энергии для снижения энергозатрат на отопление и горячее водоснабжение, а также для улучшения работы естественной вентиляции.

Цель настоящей статьи – оценить возможность использования солнечной энергии для создания комфортной среды обитания в современных зданиях, в том числе тех, чей район строительства находится под влиянием отрицательных температур наружного воздуха.

Задачи статьи – обобщить и дать оценку возможности использования основных приемов снижения энергопотребления в таких зданиях за счет использованию солнечного тепла для нагрева воздуха в помещениях (1), для вентиляции (2) и для нагрева воды (3). Поскольку усиление воздействия солнечного излучения на ограждающие конструкции здания способно привести к повышенным расходам на охлаждение внутреннего воздуха летом, некоторые способы затенения также рассмотрены.

Увеличение продолжительности инсоляции помещений зимой

В V веке до н.э. в Древней Греции стали возводить дома c высокими южными сторонами, для лучшего восприятия солнечного излучения зимой, когда точки восхода и заката Солнца наиболее смещена к югу (в Северном полушарии) ^[4]. Кроме того, греки также знали, что зимой движение Солнца на небе происходит по более низкой дуге: было замечено, что портик, выходящий на юг, зимой пропускал много солнечного света, а летом давал тень.

Постепенно все в больших греческих домах основные жилые комнаты стали выходить на портик, расположенный вдоль южной стороны здания ^[5]. Появились целые города, в которых улицы были проложены с востока на запад и с севера на юг для того, чтобы предоставить своим жителям равный доступ к Солнцу. Помимо ориентированной по сторонам света ортогональной сетки улиц, некоторые города обладали дополнительными особенностями в планировки. Например, Приена, один из таких городов, располагался у южного склона горы, что обеспечивало ему защиту от северного ветра ^[6]. В Древнем Китае использовались похожие принципы для аккумулирования солнечного тепла ^[7].

Римляни, как и греки, учитывали особенности движения Солнца на небосклоне в разное время года для более интенсивного обогрева помещений зимой. Многие римские дома имели оконные проемы преимущественно на южной стороне, однако римляне усовершенствовали греческую архитектуру, начав покрывать проемы стеклом или слюдой. Таким же образом эти прозрачные материалы были задействованы в теплицах и банях. Известно, что римские бани часто строились с большими окнами на юг, что позволяло им перехватывать солнечное излучение большую часть дня, особенно во второй половине дня — время, популярные у римлян для купания ^[8].

Примером использования элементов солнечной архитектуры в Новом времени являются дома первых переселенцев в Америке. Типичными для Новой Англии в то время были дома с двухскатной крышей, длинный скат которой находился в задней (северной) части дома, как показано на рисунке 1. Северный фасад с одним уровнем окон заметно отличался от южного, с его двумя уровнями окон ^[9].

Рисунок 1 — Дом в стиле Saltbox. Источник: ^[10].

Аккумулирование солнечной энергии высокотеплоемкими материалами

Люди использовали теплоемкость, когда еще жили в пещерах, теплых зимой и холодных летом, по сравнению с наружной температурой воздуха. ^[11]. В здании, правильное использование теплоемкости может отсрочить прохождение теплового потока через толщу ограждающей конструкции до 12 часов, что приведет к повышению температуры воздуха в помещениях зимней ночью и к ее понижению летним днем ^{[12, с.53]}. Т. к. тепловое поведение материалов в основном зависит от удельной теплоемкости, теплопроводности и плотности, а удельная теплоемкость большинства конструкционных материалов одинакова (0,84 — 0,88 КДж/(кг°C)), различие в их объемной теплоемкости в значительной мере определяется плотностью. Кирпич и бетон с высокой плотностью могут хранить значительное количество тепла, т.е. имеют высокую объемную теплоемкость. Большая объемная теплоемкость у воды: чтобы нагреть один кубический метр воды с плотностью 1000 кг/м3 и с удельной теплоемкостью 4,18 КДж/(кг°C) на 1°C, потребуется 4180 кДж (для сравнения, эта же величина для кирпича составляет примерно 1400 КДж, для железобетона 1000 КДж, для плит древесноволокнистых и древесностружечных 2300 КДж). Поэтому c 1947 г. исследовались различные конфигурации наружных стен с водой.

Эти стены являются одним из типов солнечной стены и состоят, в первом варианте исполнения, из двух слоев, наружного и внутреннего, между которыми располагается вода. Часто наружным слоем служило затемненное стекло, а внутренний слой небольшой толщины был выполнен из бетона. Во втором варианте, водная стена имеет полупрозрачную перегородку (пластину) внутри. Такой вариант исполнения был разработан в 1979 г. Выполненная как модульная, она состоит из металлического каркаса и контейнера, заполненного водой и застеклённых с двух сторон, выходящих в помещение и на улицу. В центре контейнера параллельного остекленным сторонам располагается пластина из полупрозрачного стекла, которая поглощает часть солнечной энергии. Непоглощённая энергия передается внутрь помещения. Таким образом, водная стена может выполнять в том числе эстетическую роль, предоставляя визуальный доступ к интерьеру, и освещая его ^[13].

Несмотря на то, что были получены результаты, свидетельствующие об экономии энергии на нагрев и охлаждение воздуха в помещениях при эксплуатации водных стен, интерес к ним снижался в 1990–2000-х гг., и на сегодня эта технология не получила большого распространения, видимо, из-за низкой практичности ^[14]. Помимо водных стен, известно о создании прудов на крышах (бассейнов), наполняемых водой так же для уменьшения амплитуды колебаний температуры внутреннего воздуха ^[15].

Зачастую возникает потребность в усилении восприятия солнечного излучения ограждающей конструкцией здания, выполненной из материалов с высокой теплоемкостью. Повысить нагрев конструкции можно путем окрашивания ее внешней поверхности в темные цвета, чем пользуются жители северных стран. Более точной характеристикой степени поглощения солнечного тепла материалом наружной поверхности является коэффициент поглощения солнечной радиации. Так, согласно ^[16], цементная светло-голубая штукатурка поглощает лишь 30% падающего излучения, тогда как темно-зеленая уже 60%.

Стандартная солнечная стена и материалы с фазовым переходом

В солнечных стенах, обычно выходящих на юг, материал с высокой теплоемкостью (кирпич, саман, камень, бетон, вода) помещается за стекло. Стандартная солнечная стена представляет собой расположенный за стеклом теплоемкий материал (твердое тело), которую от стекла отделяет воздушна прослойка (3 — 6 см). Такая стена была запатентована инженером Эдвардом Морсом в 1881 г. Позднее, в 1950–1960-х гг., она была популяризована инженером Феликсом Тромбом и архитектором Жаком Мишелем. Они модифицировали стену, и в настоящее время она упоминается как стена Тромба-Мишеля (или стена Тромба) ^[17]. Стена работает по принципу парникового эффекта: часть солнечного излучения с достаточно короткой длиной волны и с большой энергией легко проходит через стекло, нагревая теплоемкий материал. Нагретый материал переизлучает поглощенную энергию в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра, с более длинной волной и с меньшей энергией, которому труднее пройти сквозь стекло в окружающую среду обратно.

Стена Тромба может обладать вентиляционными отверстиями, как внутренними, так и наружными, или быть невентилируемой. Внутренние вентилируемые отверстия располагаются у низа и у верха стены, благодаря чему, в случае, если они открыты, происходит циркуляция воздуха с прилегающим к стене помещением: через нижнее отверстие из помещения удаляется наиболее холодный воздух, через верхнее отверстие в помещение подается воздух, нагретый тепловым излучением. В климате с высокими летними температурами, наружные вентиляционные отверстия улучшат отвод тепла летней ночью. Они же способны работать как «солнечный дымоход» летним днем, поглощаю свежий воздух даже в безветренную погоду. Для увеличения или ограничения получаемого от стены теплового эффекта, в зависимости от времени года и суток на поверхности остекления могут быть предусмотрены различные затенения, селективные и изоляционные покрытия. Другой интересный способ защитить стену Тромба от чрезмерного нагрева летом состоит в использовании специального остекления со стеклянной призмой, которая преломляет солнечный свет в летний период наружу и пропускает его внутрь конструкции в зимний период. Этот способ, в сочетании с материалами с фазовым переходом во внешнем штукатурном слое, был применен в ^[18].

Материалы с фазовым переходом (МФП) в строительных конструкциях активно исследуются с 1980-х гг. Материалы вида жидкость-твердое тело поглощают энергию во время плавления, что сопровождается понижением температуры воздуха в помещении, и отдают ее в окружающую среду в течении процесса кристаллизации (повышение температуры). Эта энергия, т.н. скрытая теплота, достаточно большая и превышает теплоемкость многих ограждающих конструкций из обычных строительных материалов: для МФП с температурой плавления до +40°C удельная скрытая теплота обычно находится в диапазоне 100 — 300 КДж/кг, а плотность в среднем примерно равна 1000 кг/м3 ^[19]). Поэтому, для разумного увеличения хранимого ограждающей конструкции тепла, необходимо добавление лишь небольшого количества МФП (по массе и объему). Кроме того, современные технологии позволяют помещать гранулы МФП в капсулы микроскопического размера, которые затем возможно непосредственно добавлять в строительные материалы, такие, как бетон, гипс, штукатурка. Благодаря этим факторам, МФП можно использовать как при новом строительстве, так и при реконструкции здания, без значительных изменений в исходном проекте.

В настоящее время под солнечными стенами так же понимают специальные панели, изготавливаемыми некоторыми компаниями, например, компанией Conserval ^[20], и которые представляют собой перфорированные металлические панели темного цвета. Такие панели устанавливаются с небольшим зазором поверх южной стены здания и работают как стена Тромба, в зависимости от типа открытых заслонок обеспечивая приток или отток воздуха (рисунок 2 а, б). Здания с такими панелями так же могут быть дополнены вентиляторами, подающими уже нагретый в пространстве между панелями и стеной воздух внутрь помещений.

Вентиляция и горячее водоснабжение с использованием энергии Солнца

В целях вентиляции жилища на протяжении веков использовались дымоходы, особенно римлянами в Европе и персами на Ближнем Востоке. В 1960 г. была предложена концепция использования солнечной энергии в дымовой трубе. На ранних этапах развития, эта технология использовалась только для нагрева воздуха в помещениях ^[21]. Позднее под «солнечным дымоходом» начали подразумевать конструкции, которые стимулируют движение воздуха по зданию c помощью солнечной энергии, что приводит к улучшению (созданию) естественной вентиляции и (или) обогреву помещений. На рисунке 2 показана стена Тромба, выполняющая роль «солнечного дымохода».

Рисунок 2 — Вентиляция с помощью стены Тромба. Адаптировано из ^[22]

Принцип устройства «солнечного дымохода» в конструкции крыши схож с принципом его устройства в конструкции стены. На рисунке 3 показан «солнечный дымоход» с вентилятором и с возможностью работы в двух режимах: при закрытом демпфере 1 происходит обогрев помещения, при закрытом демпфере 2 — естественная вентиляция..

Рисунок 3 — Одноканальный солнечный дымоход. Адаптировано из ^[23]

1,2 — демпфер, 3 — остекление, 4 — поглощающая пластина, 5 — утеплитель, 6 — воздушный канал, 7 — клапан, 8 — воздуховод, 9 — вентилятор, 10 — клапан.

В ^[23] был предложен более эффективный двухканальный «солнечный дымоход». В нем, сразу за поглощающей пластиной помещается еще один воздушный канал, параллельный первому и также имеющий клапан на границе с помещением и демпфер на границе с наружным воздухом. Таким образом, демпфер 2 начинает связывать эти два канала, а в нижней части второго канала появляется еще один демпфер, связывающий второй канал и воздуховод.

В 1891 г. был запатентован первый коммерческий солнечный водонагреватель. В 1999 г. был запатентован солнечный водонагреватель, разделенный на две части: нагревательный элемент и резервуар для хранения горячей воды. Этот принцип разделения используется сейчас в солнечных системах нагрева воды.

В пассивных солнечных водонагревательных системах для циркуляции воды используется естественная конвекция. В распространенных термосифонных системах (рисунок 4) объект для сбора солнечной энергии (коллектор) и резервуар для хранения воды (бак-аккумулятор) представляют собой отдельные компоненты, где низ бака-аккумулятора располагается выше верхней точки коллектора и не далее 3 — 4 метров. Такие системы могут быть одноконтурными и двухконтурными ^{[24, 25]}.

В одноконтурной системе солнечное излучение нагревает воду в каналах коллектора, тем самым уменьшая ее плотность. Нагретая вода движется в верхнюю часть коллектора и далее попадает в бак-аккумулятор. В баке горячая вода занимает верхнее положение. Более холодная вода из бака поступает в нижнюю часть коллектора. В двухконтурных (замкнутых) системах, дополненных теплообменником, задействован теплоноситель, который, при нагревании в коллекторе, перемещается в нижнюю часть теплообменника и отдает тепло воде в баке. Затем остывший теплоноситель движется вниз в коллектор ^[24].

Рисунок 4 — Схема типичного термосифонного водонагревателя. Источник: ^[25]

1 — основное водоснабжение, 2 — выход горячей воды для использования, 3 — впуск горячей воды из коллектора в бак, 4 — выпуск холодной воды из бака в коллектор, 5 —выход из бака, 6 — выход горячей воды из коллектора, 7 — впуск холодной воды в коллектор

При принудительной циркуляции, коллекторы и баки могут быть расположены на значительном удалении друг от друга, а при температуре воды в баке выше температуры теплоносителя, возможно автоматическое отключение насоса

Выводы и заключение

1. Ориентация окон жилых помещений на южную (юго-западную, юго-восточную) сторону наиболее благоприятна для обогрева помещений и в холодном климате. В тоже время, необходима защита окон от прямых солнечных лучей в летнее время, которая может быть выполнена в виде карнизов, выступающих балконных плит, декоративных выступов над окнами необходимой длины. Организованная ориентация зданий по линии запад-восток в городской среде трудновыполнима, но на ограниченных площадях, например, в коттеджных поселках, может быть реализована.

В интерьере, отделочные материалы с высокой теплоемкостью, например, напольные покрытия из древесины, способны сделать температуру в помещении в течении суток более сглаженной. Однако создание массивных ограждающих конструкций для хранения большого количества солнечной энергии через теплоемкость нецелесообразно, т.к. эту же функцию, но посредством скрытой теплоты фазового перехода, способны выполнять ограждающие конструкции с сравнительно небольшим количеством материала с изменяющимся фазовым состоянием.

В климате с отрицательными и положительными наружных температурами в течении года, вода может быть задействована в качестве материала с фазовым переходом, например, в специальных фасадных панелях.

Для большего поглощения солнечного излучения следует отдавать предпочтение материалам с большим коэффициентом поглощения поверхности. Остекленное пристроенное к дому пространство (утепленное в холодном климате) в дневные часы будет нагревать воздух, который затем можно впустить в дом.

2. Стена Тромба и «солнечный дымоход» улучшают естественную вентиляцию. Они применимы в холодном климате, при достаточном сокращении теплового потока (целостный, непрерывный тепловой контур здания, достаточная толщина утеплителя для всех конструкций, устранение «мостиков холода», защита ограждающих конструкций от продуваемости ^[26]; эксплуатация окон с высоким приведенным сопротивлением теплопередаче за счет использования в них низко-эмиссионных стекол, большого числа камер профиля и створок, стеклопакетов, газовых прослоек в стеклопакетах ^{[27, 28]}; защита ограждающих конструкций от переувлажнения, использование утеплителей, теплоизоляционные свойства которых не изменяются при работе в среде с повышенной влажностью, например, использование низковакуумных теплоизоляционных панелей ^[29]).

3. В случае применения замкнутой водонагревательной солнечной системы с незамерзающем теплоносителем, вода будет продолжать нагреваться и при отрицательных температурах, но из-за отношения площади коллектора к площади бака (рисунок 4), обеспечит в полной мере прежде всего индивидуальные дома. При принудительной циркуляции и при включении в работу нагрева воды котла в случае недостаточной температуры воды в баке, возможна более экономичная система отопления индивидуального дома с использованием солнечной энергии.

Таким образом, технологии использования солнечной энергии особенно перспективны для одноквартирных домов; в крупных городах с высокой плотностью застройки их устройство и эксплуатация затруднены. С некоторыми модификациями эти технологии могут быть применены при отрицательных температурах наружного воздуха; эффект от их использования будет зависеть в большей степени от количества солнечной радиации.