Принципы использования солнечной энергии и остекления

В пассивных домах

Для эффективного использования солнечной энергии необходимо соблюдение следующих условий:

– при остеклении применяются высококачественные материалы, обеспечивающие высокую пропускающую способность солнечной энергии и низкий коэффициент теплопередачи;

– другие потери по периметру окна должны быть незначительными;

– должно быть обеспечено максимально возможное теплопоступление от использования солнечной энергии через прозрачные поверхности.

-качество остекления является более важным показателем, чем площадь остекления. Остекление пассивных домов с южной стороны должно быть минимальным.

У самых обыкновенных оконных рам коэффициент теплопередачи от 1,5 до 2 Вт/(м²К), а теплопотери с 1 м² вдвое превышают аналогичный показатель остекления для пассивного дома, для которого по нормам коэффициент теплопередачи равен 0,7 Вт/(м² К). Кроме того, необходимо учитывать значительные мостики холода в местах соединения остекления с рамой. Чтобы восполнить баланс от солнечных теплопоступлений вследствие этих дополнительных теплопотерь, следует применять оконные рамы с высоким термическим сопротивлением .

Расположенные на юг окна пассивного дома должны быть с тройным стеклопакетом, низкоэмиссионным покрытием, не очень большими по площади, с утепленными оконными рамами.

Через окна южной ориентации в солнечную погоду в здание проникает значительное количество солнечной энергии. Стекло свободно пропускает коротковолновое световое ультрафиолетовое излучение, но неохотно пропускает в обратном направлении длинноволновое инфракрасное тепловое излучение, которое излучают нагретые солнечными лучами поверхности, находящиеся внутри помещений.

При выборе остекленения в мягком климате большие площади остекления влекут за собой большие первоначальные затраты на отопительную систему из-за дополнительных потерь тепла через стекло, которое заменило собой сплошную непроницаемую стену. Кроме того, для данной широты местности общее количество поступающей солнечной радиации не меняется, несмотря на облачность, и тепловые потери зависят только от наружной температуры. Поэтому применение остекления большой площади в мягком климате обеспечивает большие возможности для снижения потребности в сезонном отоплении, чем в холодном климате на той же широте.

Количество солнечной энергии, поступающее через обращённое на юг окно, в средний солнечный зимний день больше, чем в средний солнечный день летом. Это объясняется рядом причин:

- несмотря на то, что продолжительность светового дня летом больше, чем зимой, количество часов возможного освещения солнцем окна, выходящего на юг, зимой больше, чем летом;

- плотность потока солнечной радиации на плоскость, перпендикулярную солнечным лучам, летом и зимой примерно одинакова. Потери энергии солнечной радиации при прохождении лучей через атмосферу компенсируются тем, что зимой Солнце ближе к Земле, чем летом;

- поскольку зимой Солнце находится ниже над горизонтом, угол падения солнечных лучей больше к нормали, чем летом, когда Солнце находится на большей высоте. Например, на 35° с.ш. в средний зимний час на 1 м² окна может поступить в 1,5 раза больше энергии, чем летом;

- излучение зимнего неба (из-за рассеивающего эффекта атмосферы) в 2 раза превышает излучение летнего неба;

- чем ближе к нормали угол падения солнечных лучей на окно, тем выше общий коэффициент пропускания, поэтому зимой этот коэффициент выше, чем летом;

- при правильном затенении окно можно закрыть от большей части прямого летнего солнечного излучения.

Из всего вышесказанного следует, что зимой через выходящие на юг окна поступает в 2 раза больше солнечной радиации, чем летом. А если летом окна затенить, то разница оказывается еще большей.

Кроме того, влияние типа окна и широты местности относительно невелико по сравнению с влиянием температуры наружного воздуха и нестабильностью солнечной погоды.

Нередко шторы или задернутые занавески уменьшают поступление солнечной энергии в помещение. Применение таких средств, как изолирующие ставни, закрывающие окна на ночь, существенно снижают потери тепла и увеличивают общий уровень полезного поступления тепла.

Поступление тепла и потери тепла через окна, зависят от типа оконной рамы: для окон с деревянными рамами по сравнению с алюминиевыми снижение летнего поступления тепла и зимних потерь тепла является весьма существенным.

Таким образом, для изготовления рам в новых зданиях целесообразно применять дерево. Замена оконных рам в существующих зданиях также является целесообразной.

Для экономии энергии имеет значение и тип стекла. Стекла всех типов (прозрачное, теплопоглощающее, теплоотражающее) теряют примерно одинаковые количества тепла из-за теплопроводности. Однако количества солнечной радиации, которые передаются стеклами этих трёх типов, сильно различаются. Придание стеклу энергосберегающих свойств связано с нанесением на его поверхность низкоэмиссионных оптических покрытий, а само стекло получило название низкоэмиссионного. Эти покрытия обеспечивают прохождение в помещение коротковолнового солнечного излучения, но препятствуют выходу из помещения длинноволнового теплового излучения (например, от отопительного прибора). Поэтому стекла с низкоэмиссионными покрытиями называют «селективными стеклами».

Характеристикой энергосбережения является излучательная способность (эмиссия) стекла, под которой понимают способность стеклянной поверхности пропускать коротковолновое солнечное излучение и отражать длинноволновое, не видимое человеческим глазом тепловое излучение .

В последние годы специалисты всего мира ведут борьбу за уменьшение теплопотерь в зданиях. Чтобы тепло не уходило через крышу, утепляют верхнее ограждающее перекрытие. Чтобы стены были теплосберегающими, разрабатывают стеновые строительные материалы с пустотами и микропустотами внутри. Пресекают утечку тепла через окна, монтируя в проемы металлопластиковые окна с утепляющими прокладками между створками и герметиком между рамой и стеклом. Однако неохваченной остается большая площадь стекол, которая, как известно, должна составлять 1/7–1/8, но не меньше 1/10 от площади комнаты. То есть, чем больше помещение, тем большие по размеру окна должны пропускать в нее свет. Именно стекла, контактирующие с морозом на улице, становятся ледяными, покрываются изморозью и наледями, пропуская холод в помещение.

Для снижения потерь тепла через остекление разработана инновационная технология по производству плёнок с нанесенным на них тончайшим слоем редкоземельных металлов (серебра и платины), благодаря чему снижается теплопропускающая способность защищённого ею стекла. Такая теплозащитная плёнка для окон называется низкоэмиссионной за свою способность понижать эмиссию – передачу тепла.

Теплосберегающая плёнка для окон почти не влияет на светопропускную способность стекла, но способна препятствовать выходу из помещения тепловой энергии. Зимой энергосберегающая пленка сократит теплопотери через стёкла на 40-50 %. Соответственно, летом такая плёнка не пропускает тепло уже внутрь помещения, оберегая людей от жары и создавая комфортны условия проживания или работы.

В сравнении с полной заменой окон можно отметить следующие преимущества оклейки стёкол низкоэмиссионной плёнкой:

- значительное снижение капитальных затрат;

- отсутствие сопутствующих затрат на перевозку и монтаж окон, заделку оконных проемов и т. д.;

- низкоэмиссионная плёнка – это солнцезащита селективного типа, она пропускает в помещение свет видимого спектра, но отражает инфракрасное излучение и, частично, ультрафиолетовое;

- плёнка оберегает стекло от последствий взрыва или удара твёрдым предметом, удерживая стекло в раме и препятствуя его разлетанию на мелкие осколки.

Теплосберегающая плёнка для окон – удобный и выгодный вариант утеплить помещение, не меняя деревянные рамы на современный пластик. Это не маловажно, потому, что пластик совсем не пропускает воздух, оконные рамы «не дышат» и это служит причиной запотевания стёкол и духоты в помещении, которую не преодолеть без кондиционера или постоянного проветривания.

Таким образом, сбережение экологичных деревянных рам способствует экологичности всего помещения.

Разумеется, кроме комфортного существования в помещении, где зимой станет теплее, а летом – прохладнее, оклейка стёкол низкоэмиссионной пленкой приносит и экономический эффект.

Более практичным решением, как альтернатива применения теплопоглощающих или теплоотражающих стекол, является использование растительности (см. «Вертикальное озеленение»), а также регулируемых затеняющих устройств.

Затеняющие устройства снаружи здания наиболее эффективны; устройства между двумя слоями остекления (например, подъёмные жалюзи) несколько уступают им по эффективности; внутренние устройства (ставни, шторы, занавеси) наименее эффективны, т.к. преграждают путь солнечным лучам только после того, как они проникли в здание.

Теплопоглощающие и теплоотражающие стёкла снижают расход энергии на кондиционирование воздуха, стоимость оборудования и затраты на его эксплуатацию. Однако экономия обычно определяется в результате сравнения затрат с соответствующими данными для зданий с ограждающими конструкциями, выполненными из стекла, а не с данными для зданий, уже спроектированных с учетом мероприятий по экономии энергии.

Все четыре (или более) фасада здания необязательно должны иметь одинаковый внешний вид. Особенно это касается зданий с большими площадями остекления. Хотя строительство зданий в виде стеклянных коробок может иметь экономические, социальные и другие причины.

Обращённое на юг остекление можно легко затенять наружными козырьками над стеклами. Главная трудность при проектировании фиксированных козырьков заключается в том, что величина затенения, возникающая от тени козырьков на стекле, зависит в основном не от календарного времени года, а от положения Солнца.

Представляет определённый интерес применение регулируемых затеняющих устройств. Регулируемое затенение, расположенное между стеклами двойного окна, не так эффективно, как наружные устройства, но более эффективно, чем внутренние, которые, однако, наиболее удобны для использования людьми, находящимися в здании.

Регулируемое жалюзийное затеняющее устройство Skylid приводится в действие с помощью энергии Солнца .

Все элементы жалюзи поворачиваются одновременно: в открытом положении они пропускают солнечные лучи, а в закрытом – изолируют окно и сохраняют внутри тепло (или прохладу). На одном из жалюзийных элементов смонтированы две ёмкости, соединенные небольшой трубкой, по которой протекает фреон, расширяющийся или сжимающийся в зависимости от температуры, которая определяется главным образом солнечным излучением, попадающим на выступающую наружу ёмкость. Когда солнце нагревает фреон, он перетекает из выступающей наружу ёмкости в другую, уравновешивая жалюзийные элементы и заставляя их закрываться.

Зимой система работает в обратном порядке: солнце заставляет жалюзи открываться в солнечные часы и закрываться ночью, удерживая тепло в помещении.

Кроме автоматического управления жалюзи могут регулироваться с помощью ручного рычага.

Очень трудно затенять остекление, обращённое на восток и запад, потому что солнце над горизонтом стоит низко и летом, и зимой. Одним из вариантов затенения в этом случае являются вертикальные жалюзи (или подобные им конструкции), принцип действия которых заключается в том, что обращённое на восток или запад остекление переориентируется на север или юг.

При ориентации остекления на север будет пропускаться только непрямой свет, создающий благоприятное освещение для жизнедеятельности человека, а при ориентации освещения на юг обеспечивается поступление солнечной радиации в зимнее время.

Для этого применяется, как правило, пилообразное расположение окон на западном или восточном фасадах здания, обеспечивающее поступление солнечного тепла зимой, но исключающее летом.