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 м² объем теплового аккумулятора составляет от 3 до 6 м³. 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.