Щукина Т.В.,  канд. техн. наук, доцент, Алахмди Крар Кассим, магистрант

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

 

Пассивное использование солнечной радиации для энергосберегающей эксплуатации зданий

 

Использование возобновляемых источников энергии на территории России, как правило, ограничивается значительными капитальными вложениями на генерирующее оборудование. Это обстоятельство накладывает определенные ограничения на условия выполнения законодательно утвержденной программы экономии энергоресурсов [1]. Исходя из существующего ценового уровня новых разработок в энергосберегающих технологиях, целесообразно применять мало затратные способы получения теплоты, к которым в полной мере относится пассивное солнечное отопление.

Кпд пассивной гелиосистемы находиться в пределах 25-30 %, но при благоприятных климатических условиях, рациональной планировке и технических решениях, способствующих возрастанию энергооблученности, может быть значительно выше и достигать 60 % [2, 3]. В этом случае было бы расточительно не использовать солнечную энергию для замещения тепловых нагрузок, тем более, что основной недостаток таких систем, то есть большие суточные колебания температуры воздуха внутри помещений, успешно преодолевают современные средства автоматического регулирования теплоотдачи отопительных приборов. Применяемые для этой цели клапаны позволяют поддерживать требуемые параметры микроклимата в помещениях при прямом улавливании солнечного излучения за счет снижения расхода теплоносителя, направляемого в отопительные приборы, и тем самым обеспечивая существенное энергосбережение, в том числе и электроэнергии, так как достигается высокий уровень естественного освещения.

Для повышения кпд пассивных систем и снижения затрат на их обустройство следует использовать современные архитектурные тенденции в проектировании зданий, предполагающие, в том числе укрытие строительных конструкций светопрозрачными ограждениями. Размещение в образованной за остеклением воздушной прослойке мобильных экранирующих устройств позволит осуществлять регулирование поступления солнечной радиации в летние месяцы и сокращать потери теплоты зданием в ночное время суток в холодный период года.

Фасадные светопрозрачные ограждения (рис. 1) для наружных стен, позволяют осуществлять наиболее доступный способ прямого улавливания солнечной энергии и ее передачи потребителю, сокращая эксплуатационные затраты на традиционное отопление зданий. Уровень компенсации в тепловой нагрузке систем отопления зависит от свето- и теплотехнических показателей применяемых для этой цели строительных материалов. Поэтому при проектировании гелиоактивных конструкций следует учитывать их трансмиссионную способность для утилизации солнечной радиации. Оценить влияние возникаемого теплового процесса на сокращение потерь можно при малой поглощающей способности остекления, преодолев которое излучение поступает на поверхность несущей строительной конструкции, повышая ее температуру.

Рис. 1. Схема гелиоактивного наружного ограждения: 1 – остекление; 2 - воздушная прослойка; 3 – несущий слой строительной конструкции

 

При допущении дискретной стационарности солнечной радиации плотность теплового потока, проходящего через такое наружное ограждение (рис. 1), можно представить посредством следующих выражений

,                                                                        (1)

,                                                                       (2)

,                                                     (3)

,                                                                      (4)

,                                                                       (5)

где Q – тепловой поток, Вт; А – площадь ограждения, м2;  dСО – коэффициент пропускания светопрозрачного ограждения;  а – коэффициент поглощения несущего слоя строительной конструкции;  IП – солнечная радиация поступающая на вертикальную поверхность ограждения, Вт/м2;  tВ, tВП, tП, tСО, tНП, tН – температуры, соответственно, внутреннего воздуха, на внутренней поверхности ограждения, на поверхности несущего слоя, подвергаемой воздействию солнечной радиации, на поверхности остекления со стороны воздушной прослойки, на наружной поверхности ограждения и наружного воздуха, оС;   - сопротивление теплоотдаче внутренней поверхности, (м2×оС)/Вт;  aВ - коэффициент теплоотдачи к внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м2×оС);  ,  - термические сопротивления слоев, соответственно, несущей конструкции и светопрозрачного ограждения, (м2×оС)/Вт;  d, dСО - толщина слоя несущего и светопрозрачного, м; l, lСО - коэффициенты теплопроводности материалов, Вт/(м.оС);  RВП  - термическое сопротивление воздушной прослойки, (м2×оС)/Вт;   - сопротивление теплоотдаче наружной поверхности ограждения, (м2×оС)/Вт; aН  – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции; Вт/(м2×оС).

После несложных преобразований и с учетом коэффициента теплопередачи получаем зависимость

,                                         (6)

где  K – коэффициент теплопередачи, равный , Вт/(м2×оС).

Так как произведение    является коэффициентом пропускания поглощенного тепла [4], то выражение (6) будет иметь вид

                                                  (7)

Рассмотрим влияние поглощения солнечной радиации строительными конструкциями на тепловую нагрузку здания с учетом их южной ориентации, которое условно расположено в климатических условиях г. Ростова на Дону. Пусть наружное ограждение (рис. 2) имеет теплозащитный стеклопакет с высокой пропускной способностью для солнечной радиации [5] и воздушную прослойку, с установленными в ней автоматическими подвижными жалюзями [3], выполненными из фольгированного пенофола с коэффициентом теплопроводности 0,031 Вт/(м.оС). Основной несущий слой представляет собой кладку из силикатного кирпича, который имеет коэффициент поглощения солнечной радиации равный 0,6.

Рис. 2. Вид сверху гелиоактивной наружной стены снабженной подвижными жалюзями: 1 – однокамерный стеклопакет; 2 – жалюзи из фольгированного теплоизоляционного материала; 3 – силикатный кирпич

 

Учитывая современные требования к тепловой защите зданий [6] для данного климатического района сопротивление теплопередачи наружных стен должно быть не менее  2,44  (м2×оС)/Вт  - для жилых,  2,09 - общественных  и  1,6 - производственных зданий. В ночное время суток закрытые жалюзи из фольгированного пенофола толщиной 10 мм позволяют обеспечить этот норматив для общественных сооружений при кирпичной кладке в 510 мм. Но в дневное время суток, даже в самый холодный месяц солнечное излучение благодаря такой конструкции будет проникать в ее структуру, нагревая несущий слой. Это подтверждается результатами расчетов, выполненными в соответствии с (6, 7) и представленными на рис. 3. Зависимости 3, 4, 5 (рис. 3) получены при среднем потоке солнечной радиации в январе [7] с учетом действительной облачности климатического района и для теплозащитного остекления, имеющего коэффициент пропускания излучения равный 0,55 [5]. Безусловно, в тепловых процессах заметно влияние окраски несущего слоя, позволяющей повысить поглощение солнечной радиации до 0,7 при силикатном темно-сером покрытии и до 0,9 при черном.

Рис. 3. Тепловой поток через 1 м2 наружной стены при среднемесячной температуре января для климатических условий г. Ростова на Дону в зависимости от толщины кирпичной кладки; 1, 2 – теплопотери, соответственно, при открытых и закрытых жалюзях; 3 – теплопоступления от солнечной радиации при пропускной способности стекла 0,55 и кладке из силикатного кирпича; 4 – тоже, при окрашивании несущего слоя силикатным темно-серым покрытием; 5 – тоже, при окрашивании черным цветом; 6 – теплопоступления от солнечной радиации при пропускной способности стекла 0,8 и при окрашивании силикатного кирпича черным цветом

 

Необходимо отметить, что применяя новые технологии, в том числе и нано-уровня, можно добиться повышения пропускной способности светопрозрачного ограждения, и тогда, как показано на рис. 3, уже при обеспечении  dСО=0,8 теплопотери полностью компенсируются, а избыток теплоты может быть аккумулирован в строительных конструкциях для последующего использования в ночное время суток. Но даже при использованных в расчетах и приведенных выше характеристиках остекления стена из силикатного кирпича, покрытого силикатной темно-серой краской сокращает теплопотери относительно современных требований по теплозащите для климатических условий г. Ростова на 16-26 % (рис. 4). При уменьшении толщины несущего слоя до 380 мм с целью снижения капитальных затрат и при тех же строительных материалах в его конструкции поступления от солнечной радиации восполнят теплопотери на 3-14 %.

Так как основная энергия солнечной радиации переноситься электромагнитными излучениями в диапазоне от 0,3 до 3 мкм, а разные виды остеклений имеют различную спектральную пропускную способность [8], необходимо более тщательно подходить к вопросу выбора систем светопрозрачных ограждений.

Рис. 4. Компенсация нормативных теплопотерь за счет утилизации солнечного излучения  в климатических условиях Ростова на Дону при различной толщине кирпичной кладки; 1 –при пропускной способности стекла 0,55 и силикатном кирпиче; 2 – тоже, при окрашивании несущего слоя силикатным темно-серым покрытием; 3 – тоже, при окрашивании черным цветом

 

Специфика требований к остеклению пассивных систем солнечного отопления может быть в какой-то мере удовлетворена существующим ассортиментом, который значительно расширился, в том числе и по его энергетическим показателям. Если обычное строительное силикатное стекло имеет коэффициент пропускания 0,88, то при низком содержании железа (0,001-0,002 %) данная величина возрастает до 0,91, а при нанесении специального антибликового покрытия до 0,95. Последнее обеспечивает не только повышение пропускания солнечной радиации, но и не смачиваемость поверхности стекла. Его получают, как правило, специальным протравлением. Выпускают также и структурное стекло, которое имеет пропускательную способность на 1-2 % выше гладкого. Наряду с высокими показателями по пропусканию солнечного излучения светопрозрачные ограждения для аккумулирующих массивов должны обладать теплозащитным эффектом, необходимым для противостояния неблагоприятным погодным условиям.

Применяя также для этой цели подвижные экранирующие теплоизоляционные устройства, следует более обоснованно проводить выбор материала для их изготовления. Так, например, предложенный ранее и использованный в расчетах, пенофол выпускается толщиной 3, 4, 5, 8 и 10 мм. По данным производителя при одной фольгированной поверхности указанного материала независимо от его толщины термическое сопротивление составляет 0,6 (м2×оС)/Вт, а при металлизированном покрытии с двух сторон - 1,2 (м2×оС)/Вт. Отражающий эффект пенофола достигает 90 %.

Изменения теплового потока (рис. 3), проходящего через гелиоактивные наружные ограждения показывают, что для повышения эффективности пассивного солнечного отопления снижение коэффициента теплопередачи в соответствии с современными требованиями по тепловой защите зданий не рационально, так как это сопровождается уменьшением теплопоступлений от солнечной радиации. Для прямого улавливания излучения энергетического диапазона следует применять строительные материалы с высокими показателями по светотехническим и поглощающим свойствам, а также мобильные средства с теплоизолирующим и отражающим эффектами, создающими дополнительное сопротивление тепловому потоку при неблагоприятных погодных условиях. Только обеспечение регулирования пропускной способности светопрозрачных ограждений и подбор строительных конструкций с требуемыми теплотехническими свойствами, включая аккумулирующую способность, усиленную дополнительными прослойками с активными компонентами, можно добиться значительного сокращения потребляемых зданиями энергоресурсов.

 

Библиографический список

1.     Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ: федеральный закон РФ от 23.11.2009 № 261-ФЗ // Российская газета. – 2009. – № 5050.

2.     Щукина Т.В. Солнечное теплоснабжение зданий и сооружений. - Воронеж: ВГАСУ – 2007. - 121 с.

3.     Щукина Т.В. Энергосберегающие наружные ограждения для зданий с регулируемым микроклиматом// Промышленное и гражданское строительство, 2009.- № 4.–С. 48-49.

4.     Маркус Т.А., Моррис Э.Н. Здания, климат и энергия. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985. – 543 с.

5.     Дроздов В.А., Савин В.К., Александров Ю.П. Теплообмен в светопрозрачных ограждающих конструкциях. – М.: Стройиздат, 1979. – 307 с.

6.     СНиП 23-02-2003.Тепловая защита зданий. – М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004. – 25 с.

7.     СНиП 23-01-99*. Строительная климатология. – М.: ГУП ЦПП, 2003 – 97с.

8.     Spectral effects on the transmittance solar heat gain and performance rating of glazing systems. Christian A. Gueymard, William C. DuPont// Solar Energy, 2009. 83, № 6. - p. 940-953.

 

Щукина Т.В., Алахмди Крар К. Пассивное использование солнечной радиации для энергосберегающей эксплуатации зданий.

Рассматривается энергосберегающее конструктивное исполнение наружных ограждений, позволяющее пассивно утилизировать солнечное излучение. Получено уравнение теплового потока, учитывающее поглощение и пропускание солнечной радиации основным конструктивным массивом. Результаты расчетов показали, что для снижения капитальных затрат поглощающий излучение слой ограждения следует выполнять толщиной не более 380 мм, но при этом необходимо дополнительно применять подвижные экранирующие теплоизоляционные устройства, сокращающие потери теплоты при неблагоприятных погодных условиях.