В паше время основное внимание при использовании солнеч­ной энергии для отопления направлено на так называемые сол­нечные коллекторы, представляющие собой большие застеклен­ные поверхности на наклонной плоскости. Тепло переносится теплоносителем (жидкостью или воздухом) в зону аккумуляции для дальнейшего использования или непосредственно поступает в помещение, которое нуждается в обогреве Пассивные методы использования солнечной энергии не требуют многочисленных органов управления и достаточно просты И наоборот, активные системы обременены устройствами для транспорта теплоносите­ля, довольно сложными коллекторами, большими теплообмен­никами, различными органами управления, вентилями, насоса­ми, расширительными баками и теплоаккумулирующими кон­тейнерами. На рис. 5.1 приведена упрощенная схема системы активного использования солнечной энергии

/ — солнечный коллектор, 2 — аккумулятор тепла, 3 — дополнительный нагреватель 4 — отапливаемое здание, 5 — вентиль, 6 — тракт движения теплоносителя, 7 — необяза­тельное звено, S — теплообменник, 9 — насос или вентилятор

ТЕПЛОНОСИТЕЛИ

Одно из первых решений, применяемых при выборе системы солнечного энергоснабжения, — это выбор типа рабочего тела для переноса тепловой энергии. Обычно рассматриваются две основные системы переноса тепла. Первая из них соединяет сол­нечный коллектор с аккумулятором солнечного тепла, другая переносит тепло (или прохладу) от аккумулятора в здание. Эти две системы могут дополняться второстепенными системами.

В качестве теплоносителей могут рассматриваться жидкости и газы. В настоящее время преобладают жидкие теплоносители, в первую очередь вода, водные растворы этиленгликоля и про­пиленгликоля или масло. Единственным газом, который получил распространение в качестве теплоносителя, является воздух.

При определении типа теплоносителя нужно учитывать сле­дующие аспекты:

потребности человека и уровень комфортности;

совместимость с проектом здания;

совместимость системы солнечного теплоснабжения с други­ми устройствами (например, с дублирующими системами);

климат;

относительную стоимость (первоначальную стоимость, экс­плуатационные расходы, издержки на техническое обслужива­ние и текущий ремонт);

степень сложности;

сохранение надежности при длительном сроке службы.

Если для комфорта человека требуется только отопление, то на первое место выступают воздушные системы переноса тепла благодаря своей сравнительной простоте. (Это также является хорошим аргументом в пользу выбора даже еще более простых систем пассивного типа, которые рассматривались выше.) Одна­ко когда требуется горячее водоснабжение в дополнение к отоп­лению, выбор между жидкостной и воздушной системами ста­новится затруднительным. Воду можно подогревать по пути к водонагревателю, где ее температура повышается, если это необходимо, до требуемого уровня. Если этот подогрев осуще­ствляется в сочетании с кондиционированием воздуха в поме­щении, а пс как отдельный процесс, то подающий трубопровод обычно пропускается через теплообменник, находящийся внутри аккумулятора солнечного тепла. В случае применения жидкост­ных систем теплоаккумулятор, как правило, представляет собой бак с водой, который обычно совместим с традиционными теп­лообменниками. Менее традиционные системы применимы к ак­кумуляционным системам для коллекторов воздушного типа. Например, сравнительно небольшой бак (емкостью 115—230 л), предназначенный для установки в жилом доме, можно поме­стить внутрь заполненного камнями теплоаккумулятора Нагре­тые камни в свою очередь нагревают воду в баке. Оттуда вода

На приготовление горячей воды для бытовых нужд (для мытья, стирки и т. д.) в настоящее время расходуется около 12% энергии, потребляемой в США в жилищной и коммуналь­ной сфере. Этот огромный спрос на энергию удовлетворяется главным образом за счет обычных источников, таких как газ, нефть и электроэнергия. Однако значительную часть этого спро­са можно удовлетворить за счет широкого применения устройств солнечного водонагрева при помощи освоенной и хорошо заре­комендовавшей себя технологии. За исключением Флориды и южной Калифорнии, солнечные водонагреватели пока не нашли широкого рынка в Соединенных Штатах, однако они достаточно популярны в Израиле, Австралии, Японии и других странах. Дешевизна и устойчивое предложение обычного топлива в США до недавнего времени были главным фактором, препятствую­щим широкому распространению солнечных водонагревателей (СВН). Недавние изменения в обеспечении топливом и осозна­ние того факта, что «бочка небездонна», заставляет нас внима­тельно изучать возможности использования солнечной энергии, в том числе и для обеспечения горячего водоснабжения.

Технология использования солнечной энергии для нагрева воды во многих отношениях аналогична системам солнечного отопления зданий. Однако есть ряд характерных особенностей этой технологии, которые создают потенциально лучшие условия для вложения средств и усилий, чем в случае солнечного отоп­ления.

Прежде всего нагрузка на горячее водоснабжение в течение года сравнительно постоянна. Таким образом, коллектор и дру­гие части солнечного водонагревателя будут работать при пол­ной нагрузке максимально возможное время, экономя при этом топливо, что в конечном счете должно довольно быстро окупать высокую начальную стоимость системы. Что касается системы солнечного отопления здания, то она полностью функционирует только в самые холодные месяцы отопительного сезона.

Для более точного соответствия спросу можно также уста­новить четкие параметры подогревателя СВН. Несмотря на то что отопительные системы испытывают экстремальные нагрузки в течение лишь ограниченного периода года, они должны быть достаточно большими, чтобы справляться с такими нагрузками.

В отличие от этого система СВИ будет испытывать примерно одну и ту же нагрузку во все дни года. За исключением случаев нестандартных применений расчетная нагрузка СВН (ожидает­ся максимальная нагрузка) должна приближаться к нормаль­ной ежедневной нагрузке. Для СВН не характерны проблемы колебания спроса, и они могут быть по сравнению с солнечными обогревателями зданий значительно дешевле и проще.

Общей для всех типов систем солнечного теплоснабжения является проблема переменного поступления солнечной радиа­ции. Однако и в этом отношении СВН часто имеют ряд преиму­ществ перед солнечными отопительными системами, поскольку к режиму приготовления горячей воды требования предъявлены менее жесткие, чем к системе отопления помещений. Если будет продолжительный бессолнечный период, в течение которого за­пас горячей воды иссякнет, то, по-видимому, последствия будут менее серьезными, чем если бы здание потеряло свое тепло. Есть разница между чуть более длительной стиркой в горячей воде и замерзанием или разрывом труб от мороза; между похо­дом к приятелю, чтобы принять душ, и замерзанием растений и продуктов питания. Разумеется, никто не рискнет оставить без горячей воды многие нуждающиеся в ней торговые и промыш­ленные установки и оборудование; им необходима система с на­дежным запасом мощности и солидный дополнительный нагре­ватель. Однако если согласиться с некоторыми неудобствами и неустойчивостью работы, то систему СВН конструктивно можно существенно упростить.

Для обеспечения постоянной нагрузки на горячее водоснаб­жение в системе необходимо предусмотреть установку вспомо­гательного нагревателя. Самым простым является обычный во­донагреватель с автоматикой, который надежен и прост в обра­щении. Задача этого подогревателя состоит в устранении раз­ницы между температурой воды, поступающей из солнечного подогревателя, и постоянной температурой воды, задаваемой потребителем. Если солнечный водонагреватель полностью обес­печивает требуемую температуру, то вспомогательный подогре­ватель не включается. Поэтому управление такой системой го­раздо проще, чем большинством отопительных систем. Многие системы СВН не требуют других дополнительных регуляторов, кроме термостата, который поставляется вместе с обычным во­донагревателем. Конечно, существуют системы СВН, к которым предъявляются особые требования или в которых используются более сложные вспомогательные источники тепла. Но и в этих случаях, как правило, при обеспечении дополнительным теплом систем СВН возникает меньше проблем, чем с системами сол­нечного отопления помещений.

Все эти характеристики систем СВН (сходство с системами солнечного отопления помещений, круглогодичный спрос, по­стоянная нагрузка, менее жесткие требования к эксплуатации, простота в управлении и Возможность применения вспомогатель­ных устройств) делают их привлекательными для любого, заин­тересованного в использовании солнечной энергии для собствен­ных нужд. Кроме того, габариты нагревательной системы СВН значительно меньше, чем у большинства систем солнечного отоп­ления. В то же время капитальные затраты невелики, и готовое изделие сразу же годно для использования.

Работа систем, использующих для подогрева воды солнечную энергию, имеет несколько специфических особенностей. Одна из них связана с изменением количества воды, подлежащей подо­греву. На практике принято считать, что средний ежедневный расход воды на человека равен 100 л для жилых домов обыч­ного типа и 150 л для квартир-люкс. С другой стороны, в Авст­ралии для бытовых целей считается нормой расход 40 л в сутки на человека. Вообще, одну треть общего суточного расхода воды в доме будет составлять горячая вода, а максимально возмож­ная потребность в час обычно составляет одну десятую от обще­го расхода в сутки. Эти данные основаны на графиках текущего потребления, которое носит спорадический характер: большой спрос рано утром и вечером, соответствующий главным образом принятию ванны и мытью посуды. Торговые и промышленные здания имеют, как правило, особые режимы потребления, по­этому расход должен определяться в соответствии с условиями режима потребления.

Для того чтобы наилучшим образом обеспечить нагрузки, необходимо в каждом случае применять наивыгоднейшую схему СВН. Этот путь может потребовать ряда компромиссов. Напри­мер, одним из самых простых видов СВН является черный рези­новый шланг, обогреваемый солнечными лучами. Регулируя скорость потока через шланг, можно получить струю горячей воды с постоянной температурой. Если эту воду использовать непосредственно по мере ее вытекания из шланга, то она будет практически бесплатна. Однако если вы захотите использовать ее для душа или мытья посуды вечером, то для этого воду при­дется собирать в бак. Если воду требуется пустить в дело утром, то бак должен иметь теплоизоляцию, чтобы вода не остыла за ночь. Если горячая вода необходима в облачные дни, то бак должен быть больше по размерам и иметь лучшую изоляцию. Для обеспечения бесперебойного снабжения горячей водой обыч­но устанавливается вспомогательный подогреватель.

Вполне очевидно, что чем выше требования к СВН, тем бо­лее сложной и дорогостоящей становится эта система. С помо­щью больших по объему и лучше изолированных емкостей для хранения горячей воды можно приготавливать больше горячей воды, когда спрос на воду меньше и хранить ее даже в те дни, когда солнце сияет на небосводе. Это в свою очередь потребует либо увеличения длины шлангов, либо применения более эффек­тивного коллектора.

Другой аспект — особенность эксплуатации СВН — заклю­чается в участии пользователя. Например, простой и вполне на­дежный в работе солнечный водонагреватель состоит из мелкого корыта, наполненного водой и закрытого прозрачной крышкой (рис. 4.1). Однако этот нагреватель должен каждое утро на­полняться и опорожняться днем или ранним вечером. Кто-то должен наполнить корыто, накрыть его крышкой, если солнце скрыто облаками, оценить степень нагрева воды и слить го­рячую воду для дальнейшего использования. Этот простой на­греватель будет неприемлем для большинства людей в качестве альтернативы их обычным водонагревателям, потому что боль­шинство привыкло получать горячую воду не задумываясь и не тратя усилий больше, чем это нужно для поворота крана. Мож­но создать СВН, которые могут работать автоматически и будут так же надежны, как и традиционные устройства. Однако по своей конструкции они будут сильно отличаться от нагревателя в виде простого корыта. Между этими двумя крайними случая­ми существуют много самых разнообразных типов нагревателей с разной степенью участия пользователя, что является опреде­ляющим фактором при окончательном выборе системы.

Причинами, которые препятствуют широкому внедрению СВН в США, являлись дешевизна и доступность обычных видов топ­лива и уверенность в том, что горячая вода всегда будет идти

1 — покрытие и обшивка из полиэтилено­вой пленки

при повороте крана. Поэтому устройствами, которые и в даль­нейшем будут единственно приемлемыми, будут сложные и са­морегулируемые нагреватели. Интересно отметить, что во Фло­риде и в южной Калифорнии рынок СВН 10—15 лет назад сна­чала резко возрос, а затем стал сокращаться. Так продолжалось до недавнего времени, когда «энергетический кризис» вызвал к солнечной энергии новый интерес. В процессе эксплуатации солнечные водонагреватели требуют большего внимания при обслуживании и профилактике, чем традиционные устройства. Следует отметить, что первоначальная стоимость СВН до не­давнего времени не компенсировалась за относительно короткое время эксплуатации стоимостью сэкономленной энергии. Одна­ко в долгосрочном плане экономия оказывается существенной и уровень ее с увеличением стоимости энергии растет.

Прежде чем перейти к описанию современных систем СВН, способных полностью удовлетворить спрос на горячую воду, и рассмотреть специфику их использования в США, рассмотрим ряд более простых конструкций. Такие особенности вышеописан­ных устройств в виде шланга и корыта с водой, как простота, дешевизна, высокая степень участия пользователя, присущи не­которым другим типам подобных устройств.

Японцы создали солнечные водонагреватели в виде пласти­ковых мешков с водой, уложенных на ровную подставку (рис. 4.2). Некоторые из таких конструкций имеют снизу реф­лекторы для отражения дополнительной лучистой энергии на днище мешка. Вариантом такого рода нагревателя является простой деревянный ящик, внутренняя поверхность которого вы­ложена пластиком для удержания воды (рис. 4.3). Подогрева­тель может работать без прозрачного покрытия, но если оно есть, то это только повышает эффективность такого устройства. В этих нагревателях коллектор и аккумулятор объединены в одно целое.

Крупный недостаток нагревателей с плоским бассейном сос­тоит в том, что они могут использоваться только в горизонталь­ном положении. В тропиках, где солнце находится высоко над

головой круглый год, этот недостаток не имеет большого значе­ния, однако в более высоких широтах, где солнце не поднимает­ся так высоко над горизонтом, горизонтальный коллектор стано­вится менее эффективным частично потому, что большая часть энергии отражается самим коллектором. Зимой, когда солнце еще ниже над горизонтом, КПД коллектора уменьшается еще больше. Наиболее эффективным будет коллектор, который по­ворачивается вслед за солнцем.

Простые плоские металлические баки, наклоняемые для по­лучения максимально возможного количества солнечного тепла, используются в качестве водонагревателей в Японии, Алжире, Индии и других странах. Они представляют собой сваренные по кромке два куска металла, образующие контейнер толщиной от 100 до 200 мм. Такая конструкция имеет довольно высокую прочность и выдерживает напор воды в результате наклонного положения контейнера. Сторона контейнера, обращенная к солн­цу, окрашена в черный цвет; коллектор имеет стеклянное плос­кое покрытие и подобно нагревателям в виде плоского бассейна сочетает свойства коллектора и аккумулятора в одном устрой­стве.

Толщина слоя воды для обоих типов нагревателей с объеди­ненным коллектором-аккумулятором определяется опытным пу­тем. Чем мельче бак, тем быстрее прогревается весь объем, но тем меньшее количество воды будет приходиться на данную пло­щадь поверхности. Преимущество устройств с плоским бассей­ном состоит в том, что толщину слоя воды можно легко менять. Иногда емкость можно заполнить лишь наполовину, нагревая меньшее количество воды до более высокой температуры. Для каждого типа солнечного нагревателя размер контейнера будет определяться требуемым потребителем количеством горячей воды. Наилучшая толщина слоя воды выбирается в результате опыта. При этом площадь поверхности коллектора будет опре­деляться потребностью в воде

Интересный вариант таких баков с коллекторами-аккумуля­торами был разработан на о-вах Вест-Индия (рис. 4 4). Коллек­тор размещен в плоском металлическом контейнере, окрашен­ном в черный цвет и имеющем покрытие из листового стекла. С одной стороны контейнер имеет выступающий резервуар для воды. Дефлектор внутри контейнера обеспечивает термосифон­ную циркуляцию, в результате которой нагретая вода из коллек­торного отсека поступает в аккумуляторный отсек, а холодная вода со дна этого отсека поступает в коллектор. Аккумулятор­ный отсек нагревается в течение дня, а ночью теплоизолируется для уменьшения потерь тепла. Единственным крупным недостат­ком нагревателей объединенного типа (коллектор-аккумулятор) является их неспособность воспрепятствовать потерям тепла в облачную погоду или ночью (хотя вест-индская конструкция — большой шаг вперед к решению этой задачи). По этой причине

практически все промышленно выпускаемые системы СВН име­ют отдельный коллектор и отдельный бак-аккумулятор.

Одна из конструкций, применяемых в Израиле, Австралии, Японии и Соединенных Штатах (рис. 4.5), состоит из наклон­ного остекленного коллектора, отдельного, хорошо изолирован­ного водяного бака-аккумулятора и теплоизолированных труб, соединяющих эти два элемента. Днище бака-аккумулятора по крайней мере на 300 мм располагается выше верхней части кол­лектора. Такая компоновка исключает затраты дополнительной энергии для циркуляции воды в системе. Циркуляция происходит только вследствие естественной конвекции. При нагреве вода в коллекторе расширяется, становится менее плотной и подни­мается вверх по коллектору и через трубу поступает в верхнюю часть бака-аккумулятора. В результате более прохладная вода у днища бака вытесняется и перетекает по другой трубе в ниж­нюю часть коллектора. Эта вода в свою очередь нагревается и поднимается в бак. Пока светит солнце, вода будет постоянно циркулировать по этому контуру, все более нагреваясь.

Одной из возможных причин тепловых потерь может быть опрокидывание циркуляции в результате ночного охлаждения теплоносителя в коллекторе. Если бак приподнят над коллек­тором, то этот эффект сводится на нет, так как холодная вода просто скапливается в нижней точке системы (на дне коллекто­ра), в то время как теплая вода остается в баке. Этого также не случится, если бак и коллектор находятся на одном уровне. В одной из французских конструкций, выпускаемых серийно СВН применяется клапан, который пропускает поток воды

Рис, 4 5. Типич­ная конструкция промышленного солнечного водо­нагревателя гер­метичный вари­ант)

/ — горячая вода, 2 — вентиль сброса давления; 3 — слив горячей воды; 4 — запорный вентиль; 5 — вентиль подпит­ки: 6 — холодная во­да; 7 —подача Хо­лодной воды, 8 — сливной вентиль

Рис. 4.6. Негерме­тический солнеч­ный водонагрева­тель

1 — уровень воды;

2 — вентиляционная

труба: 3 — поплав­ковый клапан: 4 —

горячая вода; 5 — перекрывающий кла­пан; 6 — подача хо­лодной воды: 7 — пе­рекрывающий кла­пан для спуска во­ды из системы: 8 — холодная вода; 9 — обратный клапан: 10 — горяча я вода

Только ё одном направлении. Клапан закрывается, если Насту­пает опрокидывание циркуляции. Однако в большинстве систем СВН достаточно предусмотреть разность высот, чтобы избежать возможных проблем.

На практике нашли применение несколько конструктивных вариантов коллекторов. Все они в своей основе представляют собой теплоизолированный ящик с одним или более прозрачным покрытием, в котором находится зачерненная металлическая теплоприемная панель с каналами для циркуляции воды через систему. В одном варианте СВН используется длинная, изогну­тая по синусоиде трубка, по которой вода течет снизу вверх (рис. 4.5). Трубка коллектора припаяна к поверхности плоской металлической пластины, которая имеет большую площадь для поглощения солнечного тепла, чем трубка. В другом варианте коллектор имеет ряд параллельных труб, соединенных горизон­тальными трубами в нижней и верхней частях коллектора (рис. 4.6). В этой конструкции трубы также припаяны к плоской пластине.

Существует несколько конструктивных вариантов каждой из этих двух основных схем СВН. Путем устройства дефлекторов между двумя металлическими пластинами можно создать па­раллельный или синусоидальный путь для воды. Широко извес­тен метод изготовления теплоприемной плиты коллектора путем соединения двух металлических пластин с рельефно отформо­ванной сетью каналов между ними для прохода воды, получив­ший название метода «холодной прокатки». Этим методом можно получить сеть каналов для воды любого вида. Вариантом этой технологии является поглотитель типа трубы в листе, в котором параллельные каналы в виде труб составляют одно целое с ме­таллической пластиной и соединены между собой горизонталь­ными каналами вверху и внизу Оба эти метода дают возмож­ность получить высокоэффективные теплообменные поверхности. Другой известный метод предусматривает сварку или крепление заклепками волнистого металлического листа к плоской метал­лической пластине. При этом образуются каналы для потока воды. Трудность здесь заключается в изготовлении горизонталь­ной трубы, соединяющей все каналы коллектора.

Вне зависимости от конструктивных деталей основная зада­ча при создании коллектора состоит в том, чтобы обеспечить максимальную эффективность теплопоглощающей поверхности, использовать наилучшие средства для быстрого и равномерного переноса тепла к потоку воды, добиться устойчивого и равно­мерного распределения воды в коллекторе и, в конечном счете, иметь недорогую установку, которая должна быть герметичной и надежной. Это последнее требование является наиболее важ­ным, поскольку установка во время эксплуатации будет подвер­гаться экстремальным температурам, интенсивному тепловому расширению и сжатию, интенсивному воздействию солнечной радиации, коррозии, давлению и возможно замерзанию.

На изготовление теплоприемных пластин коллектора идут такие распространенные материалы, как медь и алюминий. Реже применяется оцинкованное железо Цены на все эти материалы, особенно на медь, в последние годы быстро растут Несмотря на то что стоимость является важным фактором при выборе материала, но еще более важной является технологичность из­готовления, которая зависит главным образом от производствен­ных возможностей. Паять медь сравнительно легко, но дорого Прессование холодной прокаткой требует точного и сложного оборудования, но при крупномасштабном производстве эта тех­нология достаточно дешева

Теплоприемник коллектора, как правило, имеет покрытие, повышающее его поглощательную способность Самым простым и дешевым (а во многих отношениях и лучшим) покрытием яв­ляется слой черной краски. Однако приближающимся к идеаль­ному будет одно из так называемых селективных покрытий, ко­торые более подробно рассматриваются в части V. Эти черные краски обладают высокой поглощательной способностью и низ­кой излучательной способностью (у обычной черной краски эти две характеристики примерно одинаковы], что сводит к мини­муму вторичное излучение энергии Некоторые установки, вы­пускаемые промышленностью ряда стран, имеют хорошие селективные черные покрытия К сожалению, технология нане­сения покрытий непроста. Применяют кислые ванны, электро­лиз, иногда даже вакуумное напыление. Существуют также дополнительные трудности, связанные с тем, что большинство промышленных покрытий легко повреждается водой. Это зна­чит, что теплоизолированный корпус коллектора с теплоприем­ником должен быть влаго — и воздухонепроницаемым, а это на­много усложняет технику крепления прозрачного покрытия. Со временем селективных черных красок станет больше и качество их будет выше по мере того, как проводимые исследования и усовершенствованные методы упростят технологию их произ­водства. А пока простая черная краска будет иметь преимуще­ства в простоте нанесения, долговечности и дешевизне, т е. в тех аспектах, которые компенсируют в большинстве случаев применения ее неселективность.

Изоляция корпуса, в котором находится теплоприемная па­нель, не должна допускать больших потерь энергии, поступаю­щей в установку Эти потери обусловлены отражением и погло­щением верхнего прозрачного покрытия; отражением, конвек­цией и вторичным излучением на поверхности теплоприемника; переносом тепла за счет теплопроводности от обратной стороны теплоприемной пластины. Первый вид потерь трудно предотвра­тить, хотя ведутся работы по созданию стекла и пластмасс с вы­соким коэффициентом пропускания и низким — отражения.

Второй вид потерь можно существенно снизить при ПОМОЩИ прозрачного покрытия на теплоприемнике. Такое покрытие бо­лее эффективно в предупреждении потерь тепла. Большинство покрытий выполнено из стекла или пластмассы. Все они обес­печивают парниковый эффект, пропуская внутрь коротковолно­вое излучение и резко уменьшая выходящее наружу длинновол­новое вторичное тепловое излучение. Конвективные потери су­щественно снижаются в результате создания небольшого воз­душного промежутка и устранения движения наружного воз­духа вдоль поверхности теплоприемника. В холодном климате, где потерн вследствие конвекции и теплопроводности через по­крытие возрастают из-за большей разности температур тепло­приемника и наружного воздуха, часто применяют два, а иногда и три слоя стекла или пластмассы. Это уменьшает количество поступающей на теплоприемник солнечной энергии, однако такого рода потери компенсируются повышением изолирующей способности и дополнительным воздушным промежутком.

Для прозрачного покрытия не существует единственно воз­можного материала. Наиболее распространенным материалом является стекло, которое легко доступно, долговечно, имеет хо­рошую пропускательную способность. Среди недостатков стек­ла нужно отметить высокую стоимость, повышенный вес, хруп­кость и трудности при остеклении. Применяется также несколько видов пластмасс. С учетом их недостатков разрабатывается ряд новых пластических материалов. Двумя основными недостатка­ми таких материалов являются разрушение пластмасс под дей­ствием ультрафиолетовых лучей (часто в течение нескольких лет) и их неспособность противостоять высоким температурам. Даже если пластмасса дешева, затраты труда и неудобства, связанные с заменой быстро пришедшего в негодность покры­тия, весьма существенны. Более долговечные пластмассы, такие, как плексиглас и «лексан», довольно дороги. Полиэфирные ли­сты, армированные стекловолокном, дешевле, но их срок службы ограничивается низким сопротивлением тепловому воздействию. Основными преимуществами пластмасс являются легкий вес, хорошая обрабатываемость, сравнительная простота обращения (например, натягивания пленки), прочность и в перспективе низ­кая стоимость.

Третьей причиной тепловых потерь является теплопровод­ность материала с тыльной стороны тепловоспринимающей пла­стины. Эти потери можно уменьшить при помощи обычной изо­ляции, однако теплоприемная пластина и изоляция не должны находиться в непосредственном контакте. Когда светит солнце и теплоноситель в коллекторе не движется, так как коллектор не работает, температура теплоприемной пластины может оказать­ся настолько высокой (120—200°С), что возникает опасность повреждения изоляции. При установке коллектора вплотную к наклонной крыше теплоизоляция выполняет двойную функцию,

являясь изоляцией по отношению как к коллектору, так и к зда­нию. Может иметь место и такой случай, когда поток тепла вследствие теплопроводности теплоприемной пластины поступа­ет в жилое помещение, где это тепло является полезным.

Трубы, ведущие из коллектора в бак-аккумулятор, должны иметь хорошую изоляцию и создавать минимальные помехи цир­куляции. В большинстве выпускаемых промышленностью уста­новок бак размещен рядом с коллектором для того, чтобы свес­ти к минимуму длину труб и соединений и иметь плавные изги­бы. Изоляция вокруг труб помогает сохранить поглощенное кол­лектором тепло и поддерживать температурный напор между поступающей и отводимой водой с тем, чтобы не нарушать тер­мосифонный эффект. Инженерный расчет и подбор размеров труб для правильной работы системы довольно сложен и выхо­дит за рамки настоящего обсуждения. В конечном итоге система должна включать трубы достаточно большого диаметра при плавных сгибах и коротких прямых участках. Примером такого решения является установка с коллектором площадью 4 м2, в ко­торой расстояние по высоте от нижней части коллектора до впускного отверстия для горячей воды в верхней части бака со­ставляет 2,75 м и длина труб не превышает 5 м. Естественная конвекция в установке обеспечивается при использовании труб с наружным диаметром 25 мм, что дает возможность получить температурный напор от 52 до 58° С. При более низких темпе­ратурах величина температурного напора, необходимая для создания той же циркуляции, возрастает на 8° в диапазоне тем­ператур 38—45° С или на 19° в диапазоне 5—24° С. Это значит, что утром запуск установки происходит медленнее, чем можно. было ожидать, но это не столь важно потому, что большая часть полезного накопления тепла имеет место в середине дня. Даже при очень малом диаметре трубы естественная циркуляция все равно будет иметь место, но это потребует большей разности температур на коллекторе, а это в свою очередь приводит к сни­жению КПД, чего следует избегать.

Бак-аккумулятор обычно достаточно велик, чтобы вмещать двухдневный запас горячей воды. Преимущество большей ем­кости аккумулятора (большего по размерам бака) может быть нейтрализовано увеличением потерь тепла через большую пло­щадь поверхности и из-за более длительного периода хранения тепла. Аргумент здесь экономического плана: больший по раз­меру бак будет хранить тепло более длительные пасмурные пе­риоды, но стоимость его будет выше; меньший бак будет дешев­ле, однако потребуется дополнительное тепло, чтобы восполнить недостаточность солнечного тепла, а это может повлечь за собой расход невозобновляемого топлива. Поэтому почти всегда для СВН требуется какой-либо вспомогательный источник тепла, поскольку система, способная хранить тепло очень длительные облачные периоды, будет иметь настолько большой запас для

средних условий, что оказывается экономически неоправданной. Поэтому необходим компромисс между более частым использо­ванием вспомогательной установки и более крупной и дорого­стоящей системой.

Поскольку для циркуляции имеют значение величины темпе­ратурных градиентов между разными уровнями высот термо­сифонной системы, то существенно и местоположение ввода в бак труб. Подводящая труба к низу коллектора должна заби­рать воду из самой холодной, нижней части бака. Нагретая вода из коллектора должна поступать в самую теплую часть бака (верхнюю часть). Выше впускного отверстия для отбора горя­чей воды должен быть оставлен объем для накопления полусу­точного запаса самой горячей воды, так как вода, поступающая в данный момент из коллектора, не всегда будет достаточно го­рячей (облачный день, раннее утро) и в этом случае будет охлаждать уже имеющуюся в баке горячую воду. Если вспомо­гательным источником тепла является погружаемый в воду электрический нагреватель (что общепринято для промышлен­ных установок), то он должен устанавливаться ниже суточного объема воды в аккумуляторе. Это дает возможность подогре­вать то количество воды, которое необходимо, но не больше (вспомогательные нагреватели, сжигающие топливо, рассматри­ваются ниже). Выпускное отверстие для горячей воды к потре­бителю должно находиться в верхней части бака, а патрубок для заполнения холодной водой — в нижней части. Толщи­на теплоизоляции должна быть экономически рациональной: слой, эквивалентный по тепловому сопротивлению 100-мм слою стекловолокнистой теплоизоляции, не будет избыточным, он мо­жет быть даже толще, если бак находится вне помещения при минусовой температуре. Преимущество установки его внутри по­мещения, помимо снижения требований к изоляции, заключается в том, что какое бы количество тепла ни терялось, все оно посту­пит в жилое помещение, а не в окружающую внешнюю среду.

Определение размера коллектора, подобно многим другим решениям при конструировании солнечного нагревателя, прово­дится как с экономической, так и с инженерной точки зрения. Как и в случае определения размера бака-аккумулятора, необ­ходим компромисс между более высокими первоначальными капитальными затратами и более высокими затратами на вспо­могательное оборудование. Коллектор, превышающий по разме­рам установку, обеспечивающую минимальный ежедневный расход горячей воды, будет иметь меньшую окупаемость в смы­сле доллара, сэкономленного на обычном отоплении, против доллара капитальных затрат на солнечное оборудование. Более крупная система способна накопить тепло для использования в более длительные периоды без солнца, но в то же время она не может использоваться на полную мощность в течение обыч­ных солнечных периодов.

Определение размеров коллектора может потребовать до — . вольно сложных инженерных расчетов, но обычно при благопри­ятных условиях хороший коллектор будет нагревать от 40 до 80 л воды на 1 м2 площади коллектора в сутки. Основываясь на • этих цифрах, можно легко определить предварительные размеры коллектора исходя из суточной потребности. Например, приняв коллектор средней эффективности, достаточно удачно располо­женный, можно задать себе вопрос, каковы должны быть его размеры из расчета обслуживания семьи из четырех человек, расходующих 365 л горячей воды в сутки? При расходе, напри­мер, 73 л на 1 м2 площади коллектора в сутки им потребуется 365:73= м2, или коллектор размером примерно 2,1X2,5 м.

В процессе проектирования, когда потребуются более точные прогнозы эксплуатационных характеристик, придется, конечно, провести более сложные инженерные расчеты.

Местоположение, наклон коллектора и его взаимосвязь с ба­ком являются важными факторами, которые в большой степени зависят от архитектурно-планировочного решения здания. Кол­лектор должен быть направлен строго на юг и наклонен к гори­зонтали под углом, равным широте места. Такая ориентация тео­ретически оптимальна для круглогодичной работы. В реальных условиях ориентация коллектора для данной местности зависит от многих факторов. Например, если здание имеет крышу, на которой можно разместить коллектор, то, вероятно, это будет намного дешевле, чем возводить для этого отдельную конструк­цию. Если азимут крыши находится в пределах 15° от направ­ления строго на юг и если наклон составляет ±10° от угла ши­роты, то уменьшение КПД от его идеальной величины не будет превышать 10—15%- В этом случае можно несколько увеличить площадь коллектора. Для широт, близких к экватору, наклон и ориентация имеют меньшее значение.

В случае, если коллектор установлен на крыше, условие, что бак в термосифонной системе должен находиться выше коллек­тора, часто подразумевает установку бака-аккумулятора на уровне конька крыши, а иногда даже в ложной дымовой трубе, построенной на крыше. Конечно, конструкция крыши должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать такую нагрузку. Альтернативой этому случаю будет возведение опор для коллек­тора на земле, а рядом с ним или внутри здания установка при­поднятого над уровнем размещения коллектора бака. Конструк­тивные требования к термосифонным коллекторам весьма жест­кие, поэтому варианты конструкции и монтажа ограничены. По этой причине другие способы организации циркуляции воды применяются там, где указанные выше требования к установке нельзя легко удовлетворить. _

Система труб, имеющаяся в любом водонагревателе, для кон­структора представляет некоторые проблемы, большинство из которых типично для всех водопроводных работ. Главной из них

является выбор между герметичной и негерметичной системами. В герметичной системе подача горячей воды может осуществ­ляться выше уровня бака-аккумулятора, поскольку давление в системе поддерживается давлением в водопроводной магист­рали или колодезным насосом (см. рис. 4.5). Это создает значи­тельные напряжения в водяных каналах коллектора, прочность которого должна быть соответствующим образом рассчитана. В негерметичных системах горячая вода подается самотеком потребителю на уровень ниже бака-аккумулятора (см. рис. 4.6). Если требуется горячая вода под давлением (например, для ду­ша и других целей), то перепад высот должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить необходимый напор; каждый метр высоты между баком и местом потребления воды создает дав­ление 0,1 кгс/см2. Если перепад высот создать невозможно, то единственным решением будет установка отдельного насоса или напорного бака. Напряжения в каналах коллектора ненапорной системы меньше, что позволяет удешевить и облегчить его из­готовление.

Следует отметить, что практически все выпускаемые про­мышленностью термосифонные водонагреватели пригодны толь­ко для теплого климата, в котором не бывает отрицательных температур. Однако опасность замерзания и разрыва труб и ка­налов в коллекторе может быть вызвана радиационным охлаж­дением. Медные трубы в коллекторах замерзают и разрываются в ясные, безветренные ночи, когда температура воздуха не опус­кается ниже 5° С. При этом потеря тепла за счет излучения пре­вышает поступление тепла из окружающего воздуха, поэтому температура воды опускается ниже точки замерзания.

Если произошел разрыв труб, то отремонтировать поглоти­тель с припаянными трубами будет трудно; это почти невозмож­но произвести на теплоприемной пластине, изготовленной мето­дом холодной прокатки («Ролл-Бонд»), Пластмассовые трубы устраняют проблему борьбы с разрушением из-за замерзания благодаря своей эластичности, но пластмасса непригодна в дру­гих отношениях. Большинство пластмасс имеет плохие тепло­проводящие свойства. Пластмасса часто теряет прочность при нагреве и подвержена разложению под действием ультрафиоле­товых лучей. Тем не менее следует отметить, что сейчас разра­батываются пластмассы для коллекторов, обладающие высокой прочностью при длительном воздействии частых циклов замора­живания и оттаивания.

Нагреватель (СВН) в холодном климате должен иметь на­дежные предохранительные приспособления против замерзания, а это усложняет его конструкцию по сравнению с обычной тер­мосифонной системой, предназначенной для теплой погоды. Есть три основных способа защиты коллектора: 1) съемное изоляци­онное покрытие (рис. 4.8); 2) устройство для слива воды (см. рис. 4.5, 4.6) или 3) применение антифриза вместо воды

(рис. 4.7). Применение съемной изоляции на СВН намного удоб­нее по сравнению с случаем ее применения при пассивном обогреве зданий, так как СВН сравнительно невелики. Но проблемы все же остаются. Перемещение изоляционного покры­тия должно быть в некотором смысле автоматическим (даже ес­ли это будет простой датчик, сигнализирующий об опасности замерзания), поскольку людям свойственна забывчивость, а по­следствия замерзания весьма серьезны. Механизм перемещения должен иметь надежную конструкцию, так как вся система бу­дет постоянно находиться под открытым небом. Все это может стоить немалых денег. Более полно о съемной изоляции говорит­ся в части III «Пассивные системы использования солнечной энергии». Всякий раз пользоваться сливом воды в термосифон­ных системах довольно сложно, поскольку их работа осуществ­ляется в условиях замкнутого, заполненного жидкостью конту­ра. Для большинства более простых систем проблема замерза­ния полностью исключается, так как они заполняются жид­костью только при нагреве (и в них обычно отсутствуют неболь­шие по диаметру водопроводящие каналы, которые могут замерзнуть и разорваться). Проблема слива воды в принципе одна и та же как для герметичных, так и для иегерметичных термосифонных систем. Бак должен быть отсоединен от коллек­тора, а вентиляционное отверстие вверху и сливное отверстие внизу коллектора должны быть открыты для слива. Конструк­ция водопроводящих каналов коллектора должна обеспечивать их полное осушение без водяных карманов, которые могут вы­звать разрушения. Для заполнения коллектора сливное отвер­стие должно быть закрыто, затем заливается вода, закрывается вентиляционное отверстие и после того, как в системе не оста-

Рис 4.8. Солнечный водонагреватель со съемной изоляцией / — зачерненные цилиндры, заполненные водой; 2 — отражающее и изолирующее покрытие, 3 — вентиль; 4 — выпуск горячей воды, 5 — впуск холодной воды

Рис 4 9 Система солнечного предварительного подогрева воды для бы­товых нужд

/ — солнечный коллектор; 2 — горячий теплоноситель (20—50° С), 3 — теплая или горячая вода (10—50° С); 4 — горячая вода (50—60° С), 5 — бак с горячей водой 6 — источник водоснабжения (8—12° С), 7 — охлажденный теплоноситель (10— 35° С); 8 — бак с водой, 9 — теплообменник, угол наклона коллектора широта ±15°, теплоноситель в коллекторе незамерзающий ратвор, например антифриз или гликоль, циркулирует, когда температура аккумулятора не менее чем на 3° ниже температуры коллектора, со скоростью около 30 кг/(м2*ч); водяной аккумулятор теплый или горячий теплоноситель из коллектора нагревает посту­пающую холодную воду, нагретая вода циркулирует через обычный водонагре­ватель <ц при необходимости дополнительно нагревается

лось воздуха, наконец, подключается бак. Этот процесс, хотя и несложный для выполнения, трудно автоматизировать про­стыми средствами. Ручные операции требуют значительного вре­мени (особенно при переменной погоде), а автоматизация может повлечь увеличение капитальных затрат. Ранее конструкторы сталкивались с проблемами «запаривания» из-за оставшихся воздушных мешков в процессе заполнения. Иногда при запол­нении очень горячего коллектора образуется водяной пар, кото­рый усугубляет проблему воздушных пробок.

Наиболее распространенным средством защиты против за­мерзания является применение раствора антифриза в воде вме­сто чистой воды. Во избежание смешивания раствора антифри­за с горячей водой для бытовых нужд теплообмен между нагре­тым солнцем раствором и водой в баке-аккумуляторе осуществ­ляется обычно с помощью трубчатого змеевика, погруженного в бак (см. рис. 4.7). Змеевик своими концами соединен с пита­ющей и отводной трубками коллектора, при этом термосифонная циркуляция теплоносителя происходит по обычной схеме. С уве­личением размеров системы и капитальных затрат такой тепло­обменник становится менее эффективным, однако он сравни­тельно надежен в работе. Альтернативой змеевику является бак небольших размеров, помещенный в большой бак и имеющий необходимую поверхность теплообмена.

Четвертый и наименее распространенный метод предупреж­дения замерзания заключается в подводе тепла к коллектору извне, когда его температура опускается близко к точке замер­зания. Это обычно осуществляется двумя способами: посредст­вом циркуляции теплой жидкости из бака-аккумулятора или путем наложения электротермических накладок на теплоприем­ную пластину коллектора.

Существует много других систем для СВН, которые были созданы с учетом конкретных ситуаций. Примером этому явля­ется электрический погружной нагреватель как вспомогатель­ный источник тепла, который значительно проще объединить со стандартной термосифонной системой, чем устройство, сжигаю­щее топливо. Один из путей решения такого рода задачи заклю­чается в использовании бака-аккумулятора в системе СВН в ка­честве подогревателя воды, поступающей в обычный водонагре­ватель (рис. 4.9). В этой системе холодная вода протекает через бак-аккумулятор СВН на пути в обычный нагреватель. Тепло­обменник (погруженный змеевик или небольшой бак) с раст­вором антифриза подогревает воду по мерс ее движения через бак. Когда система СВН нагреется полностью, отпадает необ­ходимость в повышении температуры при помощи обычного нагревателя. Если температуру необходимо поднять, то это осуществляется при помощи термостата, соединенного с обыч­ным нагревателем; благодаря этому упрощается автоматизация управления.

■ Ограничение, накладываемое термосифонным устройством на архитектурный проект, можно снять применением насосов. Если солнечную установку невозможно разместить из-за длин­ных труб или отсутствия места для бака, то обычно устанавли­вают насосный агрегат. Стоимость насоса, средств управления и дополнительной энергии для работы насоса в конечном счете являются дополнительными издержками, но при этом достига­ется свобода размещения системы. К примеру, насос дает воз­можность установить коллектор на крыше, бак-аккумулятор в подвале, а водопроводный кран на первом этаже. Коллектор и его трубы образуют циркуляционный контур со своим собст­венным насосом, соединенным с водонагревателем. Если это замкнутый контур (включающий теплообменник в баке), то его можно заполнить раствором антифриза, чтобы предупредить замерзание.

Другой вариант — это коллектор Томасона, соединенный с небольшим насосом. Вместо прохождения по замкнутым ка­налам вода в коллекторе свободно стекает вниз по поверхно­сти волнистого металлического листа. Внизу она собирается в желоб и самотеком поступает в бак-аккумулятор. Поскольку система не является герметичной, вода к потребителю также поступает самотеком, если не накачивается в водонапорный бак. Преимущество коллектора с открытым стенанием воды заклю­чается в том, что вода сливается в бак-аккумулятор просто в ре­зультате отключения насоса. Таким образом, устраняются проб­лемы замерзания. Вариантом использования этого принципа является коллектор Каваи, разработанный в Японии и состоя­щий из слоя ткани или волокнистого материала, который поме­щен между двумя металлическими пластинами. Вода медленно просачивается через коллектор, сливаясь снизу.

Насосы применимы и для прямоточных нагревателей. Кол­лектор, представляющий собой систему из зачерненных желез­ных труб, лежащих на зачерненной крыше, является хорошо продуманным вариантом садового шланга, нагреваемого солн­цем. При ярком солнце из трубы непрерывно вытекает горячая вода, поступающая в бак-аккумулятор. Если источником водо­снабжения является городская водопроводная сеть, то насос не нужен. Вариант такой системы успешно применяется для подо­грева воды в плавательных бассейнах. Вода, подаваемая насо­сом через фильтр бассейна, отводится через систему труб на крышу, где она подогревается прежде, чем поступить в бассейн. (Благодаря низким рабочим температурам коллекторов для подогрева воды в плавательных бассейнах прозрачные покрытия часто не требуются).

Есть еще один класс нагревателей, находящихся между, сис­темами СВН и солнечными пассивными обогревателями зданий. Эти нагреватели, по сути дела, являются подогревателями для обычных водонагревателей, которые используют теплоаккуму­

лирующее устройство здания (тепло от большого коллектора здания) в качестве источника тепла. В большинстве воздушных или водяных систем простой теплообменник передает тепло от аккумулятора воде на ее пути в обычный водонагреватель. Там, если нужно, температура повышается до требуемых пределов. В более сложных системах теплообменник заменяется на не­большой тепловой насос, который концентрирует тепло от акку­мулятора в меньший по размеру бак с водой, повышая ее тем­пературу до нужного уровня. Все эти косвенные системы несо­вершенны из-за увеличения числа механических компонентов и малой эффективности теплообменников, но в плане всего энер­гетического баланса здания они имеют смысл. Большинство вы­шеупомянутых проблем, связанных с коллекторами и аккуму­ляторами, решается тепловыми системами более крупных зда­ний, где они так или иначе должны быть решены. Все сообра­жения в отношении затрат и КПД применяются ко всей системе в целом, а дополнительные расходы на подсистему СВН легче оправдываются в виде долгосрочной экономии, несмотря на воз­можно более низкий КПД.

В библиографии есть отдельный раздел под названием «При­готовление горячей воды при помощи солнечной энергии для до­машних нужд и теплой воды для плавательных бассейнов». Ин­формацию по техническим аспектам нагрева воды при помощи солнечной энергии см. в части V, а также в книге Фрэнсиса де Уинтера «Как сконструировать и построить солнечный водона­греватель для плавательных бассейнов».

Использование систем солнечного отопления И охлаждения в существующих зданиях должно стать одной из первоочеред­ных задач в США. Этот путь обеспечивает реальное сокращение потребностей в ископаемом топливе.

Как и для новых зданий, переоборудование старых может осуществляться на различных уровнях технологической слож­ности, денежных и энергетических расходов и практического под­хода. На одном конце шкалы сложности и затрат находятся пять школьных зданий, в которых солнечная энергия стала использо­ваться по инициативе Национального научного фонда. Посере­дине шкалы находится один из первых домов с солнечным отоп­лением, расположенный в Боулдере, шт. Колорадо, и спроекти­рованный д-ром Джорджем Лёфом в 1950 г.

На другом конце шкалы собрано в настоящее время боль­шинство переоборудованных домов, где применяются более про­стые и часто более эффективные методы. Существуют три основ­ных способа переоборудования зданий (рис. 3.57). Первый спо­соб заключается в креплении коллекторов к существующим или несколько видоизмененным наружным ограждающим конструк­циям здания, т. е. к стенам или крышам. Другой способ состоит в установке коллекторов на пристройку к зданию, например, крыльцо, гараж или новое крыло. И третий способ — это строи­тельство сооружения для размещения коллекторов отдельно от здания. Это может быть вспомогательная надворная постройка, как, например, отдельно стоящий сарай, гараж, амбар или соо­ружение, построенное исключительно для размещения коллек­тора. Этот вариант будет обсужден ниже.

Из-за самых неожиданных ограничений, связанных с исполь­зованием существующих зданий, ориентация и угол наклона коллекторов могут быть неоптимальными. Часто экономические соображения ограничивают возможность изменить имеющиеся условия применения коллекторов и тем самым суживают воз­можности оптимизации проекта. Конструкция коллекторов, ис­пользуемых для нагрева воды, обладает несколько большей гиб­костью благодаря меньшему размеру коллекторов. Этому спо­собствует и режим круглогодичного их использования, посколь­ку положение солнечного диска на небосводе меняется в течение 12 мес гораздо больше, чем во время более короткого отопитель­ного сезона. Коллекторы для системы солнечного охлаждения с трудом достигают требуемой эффективности даже в наилуч­ших условиях инсоляции, и поэтому по возможности должны иметь оптимальную конструкцию и размещение, что затрудняет их приспособление к существующим зданиям. Для системы сол­нечного отопления размер коллектора должен быть более поло­вины площади пола здания, но не менее Ю м2. Для приготовле-

Рис. З 57. Размещение солнечных коллекторов применительно к существую­щим зданиям

/ — па существующей крыше или стене, 2 — коллектор; 3 — только вертикальные, стено* пые коллекторы (для широт не менее 35°), 4 — па пристройке к зданию; 5— на отдель­ной конструкции ния горячей воды коллектор может быть небольшим исходя из нормы 2,5—3 м2 на человека.

Ориентация коллекторов для системы отопления должна быть в пределах от юг—юго-востока до юг—юго-запада и от юго-востока до юго-запада для системы приготовления горячей
воды. Доктор Даг Тафф (лаборатория «Гарден Уэй») экспери­ментирует с системами, где скомбинированы коллекторы, обра­щенные на восток, и коллекторы, обращенные на запад.

Угол наклона коллекторов для системы отопления помеще­ний (измеряемый от горизонтали) может находиться в преде­лах, определяемых градусом широты и градусом широты плюс 55°. Для 40° с. ш. пределы составляют от 40 до 90° (вер­тикальное положение). Наклон коллекторов для системы горя­чего водоснабжения находится в пределах от градуса широты минус 10° до градуса широты плюс 25°. Для 40° с. ш. этот диа­пазон составляет от 30 до 75°.

Во всех вышеуказанных пределах сезонная или годовая об­щая эффективность системы будет отличаться не более чем на 10 или 20% оптимальной. Один из самых простых способов ис­пользования солнечного тепла при существующих крышах за­ключается в пропускании воды или воздуха поверх гонтовой поверхности. Теплоприемная поверхность должна быть как мож­но более черной, при необходимости окрашенной и свободной от мусора. К стропилам крепятся рамы для двух слоев остекления и конструкционного материала (например, полиэфирной смолы, армированной стекловолокном) с учетом мер для предупрежде­ния протечек.

Крышу можно также покрыть волнистыми алюминиевыми листами, окрашенными в черный цвет и закрытыми стеклом. Вода подается через перфорированную трубу вдоль конька кры­ши и собирается затем в желоб. Доктор Томасон эксперимен­тально исследовал этот метод и нашел, что коэффициент полез­ного действия такого коллектора невелик. Однако если крыша уже существует, то небольшие затраты, связанные с превраще­нием ее в солнечный коллектор, могут оправдать низкий КПД.

На рис. 3.58 показаны некоторые детали возможной конст­рукции коллектора. Участки обращенных на юг стен можно превратить в коллекторы воздушного типа примерно так же, как это было сделано с крышами. Коллекторы водяного типа при размещении их на стенах менее практичны, поскольку от­сутствует наклонная поверхность, по которой вода может сте­кать.

Во дворах вне дома коллекторы могут размещаться на от­дельно стоящих конструкциях. Такие коллекторы, их достоин­ства и недостатки обсуждаются в последней части книги. При­мер подобного устройства, которое можно легко собрать и разо­брать, показан на рис. 3.59. Прохладный воздух из дома отби­рается через нижнюю часть окна в солнечный коллектор, а по­дается обратно в помещение через верхнюю часть окна. Устройство похоже на оконный кондиционер. Более высокая сте­пень регулирования достигается путем подачи прохладного воз­духа в коллектор из одного окна и возврата теплого воздуха в другое. _

/ — верхняя накладка, 2 — труба с перфора днями 3 — два слоя стекла или другого про зрачпого материала, 4 — холодная вода 5 — фильтр (для асфальтовой крошки), 6 — нагре тая вода, стекающая в желоб, 7 — конопатка (типовая), 8 — стекло, 9 — металлическая кляммера, 10 — гонт, 11 — фанера. 12 — стро­пило

Рис. 3 59. Портативный солнечный кол­лектор воздушного типа, устанавливае­мый во дворе (проект и рисунок Леа Пуассона)

При переоборудовании существующих зданий можно приме­нить быстрый и достаточно дешевый метод установки простых солнечных коллекторов воздушного типа в оконной коробке. На рис. 3.60, 3.61 и 3.62 представлены модификации вертикаль­ных термосифонных солнечных коллекторов в административ­ном здании в Одейо (см. рис. 3.3). Такие коллекторы предназна­чены для установки в проемы существующих окон. На рис. 3.60 показана конструкция, приписываемая Баку Роджерсу из г. Эм — будо, шт. Ныо-Мексико. Прохладный воздух из помещения за­сасывается в коллектор нагретым воздухом, который из коллек­тора поступает в помещение. Вертикальный вариант этой кон­струкции, показанный на рис 3.61, особенно приемлем для крупных зданий.

Хотя коллектор в оконной коробке может быть почти любого размера, его эффективность, даже и значительная, основываясь на площади в квадратных метрах, в действительности будет мала, если размеры коллектора существенно не превышают раз­меры окна. Если для обеспечения 50%-ной потребности в отоп­лении требуется коллектор размером от четверти до половины площади пола здания, то должно быть ясно, что для заметной

экономии энергии требуются большие коллекторы На рис 3 62 показан способ, как сделать коллектор больше окна

Трудная задача дополнения существующих здании аккуму­лятором тепла была практически решена Дж П Гуптой и Р К Чопрой из лаборатории министерства обороны (г Джодх­пур, Индия) Они разработали простой солнечный обогреватель комнат, который не требует механической энерши и который можно встроить в существующие здания Как видно из рис 3 63, солнечный коллектор южной ориентации наклонно опирается на стену здания Высокий бак с горячей водой без теплоизоля­ции находится в помещении, примыкая хорошо изолированной стенкой к наружной стене В результате естественной конвекции вода циркулирует из плоского коллектора в бак и обратно в кол лектор Если в данном климате возможны отрицательные тем пературы, в воду добавляется антифриз Тепло в помещение бак излучает своей передней стенкой

В данном разделе книги кратко рассмотрены некоторые альтернативные варианты пассивных систем теплоснабжения Следующая часть книги, посвященная меюдам горячего во­доснабжения с помощью солнечной энергии, предшествует ча-

Рис 3 62 Оконная коробка вид спе

РисГ 3 63 Простой солнечный обогре­ватель комнаты (сконструирован Дж П Гуптой и Р К Чопрой из лаборатории Министерства обороны, г Джодхпур, Индия)

/__ холодная вода 2 — коллектор 3 — сол

нечная радиация 4 — горячая вода 5 — перелив 6 — стена 7 — фанера 8 — изоля ция (сухая трава) 9 — глинобитная кры ша Ю — джутовая изоляция 11 — воз душный зазор 12 — отверстие для сооб щения с атмосферой и заливки 13 — кран 14 _ стекловата 15 — бак 16 — подставка для бака 17 — дверь

сти V, в которой излагаются технологические решения активных систем использования солнечной энергии для отопления и ох­лаждения помещений

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Hammond, Jonathan, Hunter, Marshall, Cramer, Richard, and New — bauer, Loren «А Strategy for Energy Conservation Proposed Energy Conser­vation and Solar Utilization Ordinance for the City of Davis, California» Pre­pared for the City of Davis with the support of The Case Institute, August 1974.

2 Hay, Harold «New Roofs for Hot Dry Regions» Elastics 31 (February 1971), 158—164

3 Kern, Ken The The Owner Built Home Oakhurst, Calif Owner — Builder Publications, 1961

4 National Science Foundation and Research Applied to National Needs Proceedings of the Solar Heating and Cooling for Buildings Workshop Waso- hington, MarchH973 Department of Mechanical Engineering, University of Maryland "* 5 Б Андерсон

Оптимальная ширина промежутка между прозрачными по­крытиями и стеной, играющей роль аккумулятора тепла, состав­ляет 50—125 мм. Однако этот промежуток может быть увеличен для получения некоторых дополнительных преимуществ при его использовании человеком. Например, это пространство можно использовать как холл, переднюю или вестибюль (рис. 3.51).

Биосфера (рис. 3.52) объединяет в себе дом, теплицу, сол­нечный нагреватель и солнечный опреснитель. По замыслу фи­зика Дэя Шахруди пространство между солнечным коллектором и тепло аккумулирующей стеной можно сделать достаточно боль­шим, чтобы использовать его для выращивания растений. Се­верная степа теплицы хранит тепло и служит в качестве южной стены дома. Вместе с архитектором-инженером Шоном Уэллес- ли-Миллером из Массачусетского технологического института Шахруди разработал тонкую мембрану, у которой коэффици­ент пропускания солнечных лучей меняется в зависимости от ее температуры. В холодном состоянии она пропускает около 95% солнечной радиации, которая попадает на нее под прямым уг­лом. В теплом состоянии она почти непрозрачна. В результате достигается большой процент поступления солнечного тепла
в теплицу в солнечную, но холодную зимнюю погоду И почти полное отсутствие поступления солнечного тепла в сильную лет­нюю жару (для выращивания растений достаточно проникаю­щей радиации). Имея ряд дополнительных слоев прозрачной мембраны, расположенных с промежутком примерно 25 мм, та­кая «стена» является также хорошим изолятором. До сих пор не удавалось добиться сочетания большого поступления солнеч­ного тепла и хорошей изоляции, как и не удавалось, естествен­но, получить сочетание прозрачности и непрозрачности без при­менения механических органов управления или движущихся частей.

Фирма «Зоумуоркс корпорейшн» также увеличила промежу­ток между прозрачными покрытиями и аккумулятором тепла для размещения там теплицы. Прототип, показанный па рис. с 3.53 по 3.56, находится в Монта-Виста, шт. Аризона. Площадь основания теплицы 22 м2, а площадь застекленной и обращен­ной на юг крыши 25 м2. Торцовые стены дома сплошные и по­крыты внешней изоляцией, а северная стена закрыта цилиндри­ческими емкостями с водой вместимостью 200 л каждая, анало­гичными бакам с водой в стене дома Стива Баэра, служащими для аккумулирования тепла. Лучи солнца проникают через стек­ло и нагревают вертикально установленные цилиндры. Избы­точное тепло выпускается через ствовчатые вентиляционные от-

Рис. 3.51. Дом с переменным поступ лением солнечного тепла

ВерСТИЯ, размещенные ВДОЛв северной стороны КОНЬКОВОГО бруса. Они автоматически открываются и закрываются при по­мощи емкостей с фреоном, приводимых в действие солнцем. Эти автоматические ставни впервые были разработаны как изделие под названием «Скайлид» для затенения окон от солнца (см. часть И).

Особенностью теплицы является ее крыша с двойным остек­лением и системой «Бидуолл». Два слоя остекления разделены 75-мм промежутком, который заполняется маленькими шари­ками из полистирола на период отсутствия солнца, значительно уменьшая тем самым потери тепла из теплицы (см. рис. 3.54). В период солнечной погоды шарики хранятся в бункерах в зад-

Рис. 3.53. Внутренний вид теплицы, созданной фирмой «Зоумуоркс кор — порейшн», где стена из цилиндров сочетается с системой «Бидуолл»

Рис. 3.55. Шарики удаляются из промежутка в остеклении

Рис. 3.56. Северная стена теплицы с контейнерами для шариков

ней части здания (см. рис. 3.56) и нагнетаются в зазор между стеклами при снижении интен­сивности солнечной радиации (например, ночью или в хо­лодные, облачные периоды).

Перемещение шариков между бункерами и зазором в двой­ном остеклении осуществляет­ся автоматически в течение I мин при помощи управляе­мых термостатом воздуходувок типа пылесосов. Потери тепла через такое двойное остекле­ние, заполненное шариками, приблизительно равны тепло­вым потерям через стену с эквивалентным количеством стекловолокнистой изоляции.

Опыт эксплуатации показыва­ет, что после нескольких дней с температурой, близкой вой, температура в помещении оставалась выше 10°

Простые системы необязательно должны представлять со­бой вертикальные коллекторы. Например, в здании, часть кото­рого показана на рис. 3.39, используются как окна, так и на-

клонный коллектор воздушного типа. Удачная разработка этой идеи была осуществлена фирмой «Зоумуоркс корпорейшн» (рис. 3.40, здание фирмы видно на заднем плане). При эксплуа­тации этой простой и в то же время продуманной системы пол­ностью исключается применение в каком-либо виде механичес­кой энергии. Воздух нагревается в коллекторе и поднимается вверх (рис. 3.41). По мере своего подъема воздух приходит в соприкосновение и проникает через шесть слоев окрашенной в черный цвет цсльнорешетчатой металлической сетки. При этом температура воздуха повышается.

За счет естественной конвекции теплый воздух поступает в большой бункер, заполненный камнями размером с кулак. Бункер с камнями размещен под крыльцом и под домом. Пере-

Рис. 3.39. Наклонный термосифонный солнечный коллектор в сочетании с окнами

/ — теплый воздух; 2 — солнечный коллек­тор; 3—желоб для сбора дождевой во­ды; 4 — холодный воздух

Рис. 3.40. Термосифонный воздуш­ный коллектор в Альбукерке, шт. Нью-Мексико, разработан фирмой «Зоумуоркс корпорейшн»

1 — воздуховод для теплого воздуха в по­мещение; 2 — булыжники; а—бункер с камнями; 4—покрытие из листового стек­ла; 5 — шесть слоев сетки из цельноре­шетчатого металла: 6 — нагреваемый воз­дух; 7 — решетчатый поддон; 8 — холод­ный воздух; 9 — обратный воздуховод для холодного воздуха; 10— солнечный кол­лектор

Рис. 3.42. Проект дома с галечным аккумулятором тепла и замкнутой системой воздушного потока (разрез и план). Разработан Джонатаном Хаммондом [11

1 — вентиляционное отверстие для летнего режима эксплуатации; 2 — коллектор со* стеклянным покрытием; 3 — чердак; 4 — поток воздуха; 5 — бункер с камнями; 6 — ванная; 7 — спальня; 8 — жилая комната; 9 — камин; 10 — кухня

Дав тепло камням, воздух охлаждается и поступает сначала через решетчатый поддон в обратный воздуховод для холодного воздуха, а потом в основание коллектора, где снова нагревается.

Зимой, когда в дом необходимо подавать теплый воздух, от­крываются заслонки, допуская холодный воздух помещения в канал под бункером с камнями (на схеме он не показан), где он нагревается от камней, а затем вновь поступает в дом.

На рис. 3.42 показана еще одна схема естественной конвек­ции воздуха с использованием воздушных коллекторов и акку­муляторов тепла с камнями. Поток воздуха из аккумулятора в коллектор проходит через дом. Конструкция камина и дымо­хода предусматривает дополнительную возможность аккумули­рования тепла. Летом открытое вентиляционное отверстие в верхней части аккумулятора способствует возникновению естест­венной вентиляции воздуха в доме ночью. При этом происходит охлаждение камней аккумулятора для обеспечения дневного ре­жима охлаждения.

Другим примером «пассивной» технологии является дом, спроектированный Гарольдом Хэем из фирмы «Скай терм проусессиз энд инджинииринг» (Лос-Анджелес), который нахо­дится в Атаскадеро, шт. Калифорния (рис. 3.43). Солнечный коллектор этого одноэтажного дома скорее горизонтальный, чем вертикальный или наклонный. На плоской крыше лежат большие черные пластиковые маты, наполненные водой (рис. 3.44). Маты толщиной около 200 мм содержат 26,5 м3 не­проточной воды. Теплоемкость такого слоя воды эквивалентна теплоемкости слоя бетона толщиной 400 мм, а масса ее равна массе 100-мм бетонной плиты. Сейсмостойкая стальная кровля имеет размеры 16×11 м. Днем маты с водой открыты для на­грева солнечными лучами. На ночь маты для предотвращения их охлаждения ночным воздухом закрываются изолирующими панелями, которые надвигаются при помощи алюминиевых зуб­чатых направляющих. Поэтому тепло передается в основном вниз, нагревая металлический потолок дома (рис. 3.45). Раз­движные «ставни» изолированы 50-мм слоем пенополиуретана. Двигатель мощностью 180 Вт реагирует на сигнал термостата и, работая всего две минуты утром и вечером, передвигает изоля­ционные панели по рейкам. Они перемещаются из положения поверх матов с водой на крыше в положение над гаражом или внутренним двориком, складываясь по секциям в три слоя (рис. 3.46). Их можно передвигать и вручную. Летом осущест­вляется обратная операция: днем изолирующие ставни закрыва­ют маты, защищая их от горячего солнца. На ночь они откаты­ваются назад, и черные маты излучают тепло в прохладный ночной воздух с тем, чтобы днем охлаждать помещение внизу. На рис. 3.47 показаны различные режимы работы.

В Иране Хзй видел приспособление для получения льда, из­вестное под названием йак-хал. Многие века кочевники приме-

няют йак-хал для изготовления льда, используя процесс излуче­ния тепла в ночной воздух. Лед хранится в сооружениях, похо­жих на ульи. Можно было получать лед в темных сосудах, когда температура окружающего ночного воздуха достигала 9° С. Этот же принцип положен в основу процесса охлаждения жилища, разработанного Хэем. Он подчеркивает, что «более 60% бытового потребления энергии в районе Лос-Анджелеса можно было бы удовлетворить за счет солнечной энергии или излучения ночного неба. Потенциальная экономия энергии мо­жет составить 70%, если использовать в системе и солнечные водонагреватели».

В предварительной работе, проведенной в Финиксе, шт. Ари­зона, Гарольд Хэй и Джон йеллотт исследовали эту систему естественного кондиционирования воздуха. В диапазоне темпе­ратур окружающего воздуха от отрицательных до 45° С система поддерживала температуру в помещении в интервале 20—28° С в течение года обычной погоды в Финиксе без дополнительного отопления или охлаждения. На рис. 3.48 показано поперечное сечение первых потолочных бассейнов Хэя. Для дома в Атаска­деро характерно применение в качестве емкостей для воды пластиковых матов.

Работа Хэя в Атаскадеро проводится в сотрудничестве с группой по исследованию солнечной радиации и излучения ночного неба в Школе архитектуры Калифорнийского политех­нического университета в Сан-Луис-Обиспо, шт. Калифорния. Группа, руководимая проф. Кеннетом Хаггардом, выполнила разработку архитектуры, конструктивной части, содержания и ремонта, провела оценку тепловых и акустических характери­стик, экономики и реакции жильцов. Министерство жилищного строительства и городского развития США выделило 40 000 долл, на проведение этой работы. В течение первого года эксплуатации комфорт в доме поддерживался без какого-либо другого источника энергии, кроме солнечной радиации и излу­чения ночного неба. Система Хэя наиболее эффективно работа­ет в широтах между 35° ю. ш. и 35° с. ш., где Солнце находится высоко на небосводе и где зимы весьма умеренны, а отрица­тельные температуры редки.

Система естественного кондиционирования воздуха может устанавливаться, эксплуатироваться и ремонтироваться сравни­тельно неквалифицированными людьми. Она не требует двига­телей, компрессоров, конденсаторов, газоводов, не требует она также специальных материалов, кроме тех, которые необходи­мы в современном строительстве. Естественное кондициониро­вание воздуха обеспечивает мягкий и равномерный комфорт без шумового фона, сквозняков или распространяющей инфекцию циркуляции воздуха.

«Ирония заключается в том, что высокоразвитая страна теперь разрабатывает систему, обладающую наибольшими до-

Рис 3 47 Различные режимы эксплуатации дома Гарольда Хэя с есте­ственным отоплением и охлаждением

а — отопление зимой, б — охлаждение летом; 1 — подвижные изолирующие став­ни, 2 — металлический потолок, 3 — здание

Рис 3 48 Плоские солнечные колекторы на крыше дома в шт Аризона, проект Гарольда Хэя и Джона Йеллотта if2]

/_ изоляция; 2 —балка, 3 — направляющие, 4 — вода, 5 —облицовка, 5 —дере вянная опора размером 50X75 мм, 7 — металлический лист, 8 — частичный разрез бассейна на крыше; 9 — открытый бассейн, 10 — прозрачное покрытие, 11 — затоп­ленный мат; 12 — колесо; 13 — балка, 14 — опоры, 15 — поперечное сечение бас­сейнов на крыше

стоинствами для развивающихся стран», — говорит Хэй. — «Там, где не требуется поддерживать комфортные условия в уз­ких пределах, можно использовать подвижную изоляцию без бассейнов на крыше, причем более простыми и дешевыми спо­собами. Такие средства могут улучшить здоровье и производи­тельность труда людей. Для целей, имеющих больший приори­тет, более дорогие бассейны на крышах могут заменить импор­тируемые в настоящее время устройства для регулирования температуры, за исключением ситуаций с большими вентиляци­онными потребностями, например в театрах. Естественное кон-

диционирование воздуха имеет важные преимущества для боль­ниц и клиник в развивающихся странах».

Модифицированный вариант концепции «Скай Терм», пред­ставленный на рис. 3.49, был спроектирован для условий Дэви­са, шт. Калифорния. Подвижные рефлекторы, являющиеся так­же изоляторами, открыты в течение солнечных зимних дней и закрыты ночью и в облачную погоду. Летом маты с водой открыты прохладному ночному небу. При этом за счет радиаци­онного теплообмена вода охлаждается, забирая тепло из внут­ренних помещений, накопленное в течение дня, обеспечивая таким образом в доме прохладу.

На рис. 3.50 показан другой вариант разработки Гарольда Хэя. Он осуществлен д-ром Гарри Томасоном из Вашингтона, округ Колумбия. Вместо применения подвижной изоляции, за­крывающей бассейны на крыше, здесь использован принцип, в котором вода самотеком поступает в подвальный резервуар, заполненный также камнями размером с кулак. Зимой вода на­сосом подается на крышу, если светит солнце, а если солнца нет, то сливается в резервуар. Нагретая солнцем вода нагрева­ет камни аккумулятора, который обогревает дом теплом, посту­пающим в помещение через бетонный пол. Когда вода поднята на крышу, процесс отопления обеспечивают нагретые камни. Летом воду можно подавать насосом на крышу ночью, чтобы она там охладилась, с тем, чтобы нагревать ее потом в дневное время, в процессе охлаждения помещения.

К этим простым системам отопления можно добавить еще один важный и полезный элемент: аккумулятор тепла. Еще в 40-х годах исследователи в Массачусетском технологическом институте занимались совмещением накопителя солнечного теп­ла и самого солнечного коллектора. Достигнутое в результате этих работ общее упрощение системы солнечного отопления и охлаждения весьма убедительно. Благодаря отказу от системы транспортных коробов, труб, вентиляторов и насосов, а также теплообменников и сложных органов управления экономятся значительные средства, снимаются расходы на эксплуатацию и ремонт, реально повышается комфорт и эффективность. Эксплуа­тационные характеристики нынешних систем могут быть лучше, чем у систем, которые разрабатывались Массачусетским техно­логическим институтом, главным образом благодаря совершен­ствованию изоляции и методов ее применения.

На рис. 3.15 показан вариант дополнения теплоаккумулиру­ющей стены к термосифонному вертикальному солнечному кол­лектору. При попадании солнечных лучей на зачерненную по­верхность стены бетон поглощает некоторое количество тепла.

Одновременно другая часть тепла нагревает воздух, который поднимается вдоль коллектора и поступает в помещение. Погло­щенное бетонной стеной тепло медленно распространяется внутрь стены по ее толщине и после захода солнца излучается в зда­ние, в то время как теплые конвективные потоки продолжают циркулировать между черным бетоном и прозрачным покры­тием. Размеры таких систем можно подобрать так, чтобы под­держивать комфорт в течение нескольких дней облачной по­годы.

Как и в случае охлаждения под действием обратной цирку­ляции за счет термосифонного эффекта, теплоаккумулирующая стена способна также накапливать прохладу ночью после жар­кого дня и хранить ее для последующего использования в днев­ное время. На внутренней поверхности стены можно поместить изоляцию, чтобы уменьшить количество поглощенного полно­стью тепла, поступающего от стены, и предупредить перегрев. Тепло, накопленное в стене, затем используется в основном благодаря термосифонной циркуляции воздуха. Южный фасад дома на рис. 3.16 выполнен полностью из стекла, за которым находится бетонная стена толщиной примерно 400 мм. Внешняя поверхность бетонной стены шероховата и окрашена в черный цвет для лучшего поглощения солнечной радиации, которая про­никает через стекло и поступает на поверхность бетонной стены. На рис. 3.17 показана схема этого дома. Бетон является не толь­ко солнечным коллектором, но и аккумулятором тепла. Бетон нагревается под действием попадающей на него солнечной ра­диации. Солнечное излучение, пройдя через стекло (1), погло­щается черной поверхностью (2), нагревая бетонную стену (,?)• Под действием длинноволнового теплового излучения, которое не может проникнуть через стекло, воздух между бетонной по­верхностью и стеклом нагревается н поднимается вверх. Подни­маясь, он проходит через отверстия в верхней части стены и по­ступает в помещение. Одновременно холодный комнатный воз­дух замещает нагретый, поступая через каналы в нижней части

/ — вентилятор (необязательно): 2 — солн­це; 3 — воздух, нагретый солнечным теп­лом; 4 — теплообмен излучением: 5 — сол­нечная радиация; 6 — изоляция (необя­зательно); 7 — прозрачное покрытие, одно — иля двухслойное; 8 — зачерненная тепло­поглощающая поверхность с каменной крошкой; 9 — стена — накопитель тепло­вой энергии солнечного излучения: 10 — место для размещения раздвижных изо­лирующих ставней; 11 — прохладный ком натный воздух [2]

стены. Избыточное тепло сохраняется в бетоне для использова­ния в периоды отсутствия солнца. Никаких других средств, кроме естественного воздушного потока, в доме для циркуляции теплого воздуха в помещении не применяется. Чтобы не допус­тить опрокидывания циркуляции под действием холодного ноч — . ного воздуха, нижний входной канал располагается чуть выше низа коллектора, т. е. находящийся там холодный воздух как бы заперт в ловушке.

На рис. 3.18 представлен крупный план стены южного фаса­да дома с циркуляционными каналами в нижней и верхней ча­стях. В двух таких домах живут инженеры лаборатории солнеч­ных исследований в Одейо со времени их постройки в 1967 г. Примерно две трети потребности в тепле в этих домах удовлет­воряются за счет солнечной энергии. Площадь пола каждого из них составляет 93 м2, а площадь коллектора — около 44,5 м2. Сезонная тепловая энергия, обеспечиваемая этой системой, рав­на примерно 600 кВт-ч/м2 поверхности коллектора [4].

Назначение отверстий в западной стене фундамента трех­квартирного здания, показанного в процессе строительства на рис. 3.19 по состоянию на февраль 1973 г., такое же, как и в первых двух домах (в настоящее время строительство дома за­кончено). На рис. 3.20 представлен макет здания, спроектиро­ванного архит. Жаком Мишелем в Национальном центре науч­ных исследований. Патентуемые аспекты солнечной отопитель­ной системы защищены через Национальное агентство по вало­ризации исследований (ANVAR).

Схематическое устройство солнечной отопительной системы такого трехквартирного дома показано на рис. 3.21 и 3.22. Ос­новные различия между этой системой и системой в первых до­мах (см. рис. 3.17) заключаются в том, что окна на южной сто­роне сочетаются с бетонно-стеклянной солнечной стеной, верх­ний воздухопровод из коллектора в здание разделен на два меньших канала вместо одного большого и в верхнем канале предусмотрены клапан или заслонка, которые направляют поток нагретого воздуха либо в здание, либо из здания. Режим отоп­ления в зимний период показан на рис. 3.21. Заслонки занимают такое положение, что нагретый воздух из промежутка между бетоном и стеклом поступает в дом. Летом заслонки находятся в ином положении, и прохладный воздух засасывается через отверстие в северной стене здания и попадает в воздушный про­межуток между бетоном и стеклом. Воздух нагревается (что способствует засасыванию прохладного северного воздуха) и удаляется наружу через заслонки в верхней части коллектора.

Развитие южной коллекторной стены ниже уровня земли (до 1 м) не только увеличивает общую площадь коллектора, но и создает ловушку для холодного воздуха зимой, препятствую­щую опрокидыванию циркуляции за счет охлаждения.

Первый дом, обогреваемый солнечной энергией, в Одейо был построен в 1962 г, На рис. 3.23 показаны обращенная на юг сте­на дома, а также сочетание окон и солнечных коллекторов. Ос­новное различие между этой системой и другими построенными в Одейо заключается в том, что аккумулятором тепла в — данном случае вместо бетонной стены является вода. Солнечные кол­лекторы— это водяные радиаторы, окрашенные в черный цвет и расположенные между остеклением южного фасада и внут­ренним помещением. Вода циркулирует в системе благодаря естественной циркуляции (насосы отсутствуют) и хранится в ба­ках, находящихся над коллекторами в чердачном помещении. Верхние части радиаторов располагаются непосредственно под окнами, а баки-накопители — выше стены между потолочными балками. На рпс. 3.24 показана схема такой системы.

Ряс. 3.22. Схема солнечной отопительной системы трехквар­тирного дома (зимний режим) [4]

1 — теплоаккумулирующая бетонная масса; 2 — стекло; 3 — зачернен­ная, шероховатая, теплопоглощающая поверхность; 4 — воздушный промежуток для движения нагретого воздуха; 5 — входное отверстие для прохладного воздуха; б — прохладный комнатный воздух; 7 —ок­но; 8 — выходное отверстие и заслонка для регулирования воздушного потока в здание или из него; 9 — отверстие для входа теплого воздуха в помещение; Ю — помещение / здание; U — воздушный поток в про­межутке между коллектором и стеклом; J2 — гараж или другое поме­щение; ІЗ — внутренняя стена; 14 — входное отверстие с заслонкой для регулирования потока прохладного северного воздуха для вентиляции летом; 15 — воздухоочиститель

Рис. 3.24. Предложенная автором книги схема термосифонной системы лучистого солнечного отопления с использованием горячей воды; осу­ществлена в Одейо в 1962 г.

1 — горячая вода; 2 — холодная вода; 3 — теплоаккумулирующий бак с водой; 4 — стекло; 5 — зачерненная теплопоглощаю­щая поверхность; 6 — разделитель потока

Теплопоглощающая и аккумулирующая стена может быть также выполнена из кирпичных блоков. Их можно укладывать друг на друга, а пустоты заполнять песком, землей или винипла — стовыми мешками с водой. Незаполненные пустоты можно ис­пользовать как воздуховоды для естественной циркуляции воз­духа. Для аккумулирования тепла можно также использовать набор контейнеров с водой или эвтектическими солями (рис. 3.25).

Одним из самых известных сторонников использования сол­нечного тепла с применением «пассивной» технологии является Стив Баэр из фирмы «Зоумуоркс корпорейшн» (Альбукерке,

Рис. 3.25. Вариант комбинации в одном устройст­ве окна, стены, солнечного коллектора и аккуму­лятора тепла (поперечное сечение)

1 — зазор для раздвижных изолирующих ставней; 2 — стекло или пластмасса; 3 — часть лучистой энергии по­глощается эвтектическими солями, часть поступает в по­мещение; 4 — теплоаккумулирующий материал, напри­мер эвтектические соли в пластиковых контейнерах (тем­пература фазового перехода 24° С)

шт. Нью-Мексико). Баэр спроектировал ячейку, которую назвал «зомом», и построил из 11 таких зомов дом площадью около 190 м2. В доме применены бетонный пол и саманные перегородки (рис. 3.26). Его основная особенность как объекта, предназна­ченного для пользования солнечной энергией, заключается в том, что обращенные на юг стены сложены из цилиндрических емко­стей по 200 л каждая, которые наполнены водой и поставлены друг на друга. Каждая такая стена, состоящая примерно из 20 таких бочек, имеет внешнее ограждение в виде однослойного остекления.

Наружные, отражающие солнечные лучи изолирующие што­ры шарнирно прикреплены к основанию каждой стены-коллек­тора. Днем ставни горизонтально лежат на земле, отражая своей поверхностью дополнительный солнечный свет на стеновые ци­линдры (рис. 3.27). На ночь шторы вручную поднимаются в вер­тикальное положение, чтобы уменьшить потери тепла от цилин­дрических емкостей в окружающее пространство (рис. 3.28). Шторы имеют алюминиевое отражающее покрытие и изоляцию из картонных ячеек, частично заполненных пеноуретаном. Их приблизительная стоимость составляет около 20 долл, за 1 м2, вес 7,3 кг/м2.

Цилиндры окрашены в черный цвет и поглощают за солнеч­ный день до 1360 кДж/м2. Такой аккумулятор отдает свое тепло

Рис. 3.28. Схема подвижных изоли­рующих ставней и стены с цилиндри­ческими емкостями конструкции фир­мы «Зоумуоркс корпорейшн»

/ — стекло; 2 —■ зачерненная поверхность; 3 — изолирующие ставни; 4 — отражающая солнечные лучи поверхность; 5 — цилин­дрические емкости (200 л) с водой; 6 — ручная лебедка в жилое помещение посредством излучения, конвекции и тепло — проводпости. Плотность теплового потока может до некоторой степени регулироваться с помощью подвижных штор, размещен­ных между цилиндрами и жилым помещением. Одной из наиболее интересных характеристик этого проекта является мягкое осве­щение, которое проникает между цилиндрами (рис. 3.29). Обыч­но цилиндры размещаются в горизонтальном положении. Одна­ко в некоторых случаях Баэр устанавливал их вертикально для того, чтобы уменьшить количество воды на квадратный метр

поверхности коллектора. Система Баэра может на 75% покры­вать отопительную нагрузку при изменении температуры возду­ха в помещении не более чем на 5—8 град.

Летом изолирующие ставни на ночь опускаются, и цилинд­ры остывают. Днем ставни поднимаются в вертикальное поло­жение, препятствуя проникновению тепла и удерживая прохла­ду. В процессе эксплуатации следует принимать меры для пре­дотвращения утечки воды из цилиндров.

Другой особенностью объекта является применение банок не­большой емкости, наполненных водой и размещенных под по­толком. Эти банки нагреваются через фонарь верхнего света, оборудованный ставнями. Ветряной двигатель накачивает коло­дезную воду в бак емкостью 20 м2, откуда она самотеком посту­пает в дом.

Некоторые из способов изготовления стен здания из цилинд­рических емкостей показаны на рис. 3.30—3.33.

Научно-исследовательская и проектная фирма «Тотал эн- вайронметал экшн, инк., с главной контрой в г. Гаррисвилл,

Рис. 3.33. Скрытые цилиндры с изо­ляцией типа «Скайлид». Воздух по­ступает и выходит через один и тот же вентиляционный канал

шт. Ныо-Гэмпшир, последовала примеру Тромба и Баэра, по­строив дом близ Манчестера, шт. Ныо-Гэмпшир (рис. 3.34). Бетонные стены дома засыпаны землей с восточной, западной и северной сторон, а изоляция размещена между бетоном и грунтом. Пол также изготовлен из бетона, но без изоляции под ним. Вся южная сторона состоит из комбинации окон и солнеч­ных коллекторов. Единственным источником тепла в доме по­мимо солнечной энергии являются сжигаемые в печи дрова. Солнечные коллекторы представляют собой бетонные стены толщиной 300 мм, открытые для солнечных лучей в течение ДНЯ

а — поперечный разрез по южной стене: і—прозрачная стена с шариками изоляции: — открыта в течение солнечных прохладных периодов, — закрыта в течение солнечных жарких периодов и при отсутствии солнца (ночью, в облачную погоду); б — режим отоп­ления: работа коллектора в режиме накопления тепла; в — режим охлаждения: работа коллектора в режиме вентиляции; г — вид с южной стороны: / — гараж; 2 — кухня; 5 — столовая; 4 — ванная; 5— спальня; 6 — жилая комната; 7 — солнечный водонагреватель, расположенный в центре этой стены; д — вид с восточной стороргьг; е — вид с западной стороны

и защищенные от потерь тепла во внешнюю среду ночью и золя — цией типа «Бидуолл». Воздух циркулирует между бетоном и изоляцией. Солнечное тепло поступает также через окна и на­капливается в бетонных стенах и полу. Для уменьшения потерь тепла ночью окна закрываются изолирующими ставнями. Вода для бытовых нужд предварительно подогревается, циркулируя по трубам в бетонной стене коллектора, прежде чем поступит в солнечный водонагреватель.

Разумеется, аккумулятор солнечного тепла необязательно должен быть совмещен непосредственно с солнечным коллекто­ром. Если же это сделано, то не всегда он должен быть един­
ственным аккумулирующим устройством. Для хранения избы­точного солнечного тепла можно использовать аккумулирую­щую емкость самого здания. Однако если эта теплоаккумулиру­ющая способность здания недостаточна или нельзя сконструи­ровать стену, обладающую достаточной теплоемкостью, то ак­кумуляторы тепла должны быть дополнительно установлены в других местах. На рис. 3.35 показан вспомогательный аккуму­лятор солнечного тепла, расположенный под полом. На рисунке приведены также другие элементы подобных систем, в том чис­ле вентилятор, который переносит воздух в помещение после его нагрева в стене-коллекторе. Пример того, как можно хра­нить тепло в перекрытии, показан на рис. 3.36. Теплый воздух подается через промежутки между балками перекрытия. Про­межутки облицованы отражающей фольгой для уменьшения потерь тепла и трения воздушного потока. Затем тепло пере­дается 4-л емкостям с водой. Емкости могут быть выполнены из пластмассы, стекла или металла и расположены в произволь­ном порядке. В качестве средства для аккумулирования тепла, поступающего через окна, может использоваться бетонная пли­та. Между бетоном и аккумулятором солнечного тепла поме­щается изоляция, чтобы уменьшить неконтролируемые потери тепла во внешнюю среду.

Другая размещенная под полом система аккумулирования тепла была предложена Дэем Шахруди (рис. 3.37). Теплый воз­дух из коллектора подается через пустоты в каменных блоках, установленных под полом на торец. Нагретые блоки в свою оче­редь передают тепло воде, содержащейся в больших матрасо­образных пластиковых мешках, которые положены на блоки. Теплый воздух, прошедший над мешками, поступает в здание. Воду теплового аккумулятора можно также хранить в больших железных баках (типа бочек для нефти), которые размещаются в подвале. Теплый воздух из коллектора может циркулировать вокруг и между ними, а прохладный комнатный воздух, также циркулируя вокруг бочек, нагревается.

Аналогичным способом тепло можно аккумулировать, по­мещая аккумуляторы в других частях здания: в потолках, чу­ланах и внутренних перегородках. Подобно емкостям с водой, размещенным между балками перекрытия (см. рис. 3.36), их можно разместить и на полках в вертикальных стенах. Анало­гичные способы применимы и к размещению в доме высоких контейнеров, заполненных камнями, как это сделано, например, в собственном доме Джорджа Лёфа в Денвере.

По возможности аккумулятор тепла должен находиться в пределах помещения, которое требуется отапливать и охлаж­дать. Вода в резервуаре на рис. 3.38 нагревается коллектором водяного типа. В свою очередь камни нагреваются от горячего водяного резервуара. Прохладный воздух из помещения засасы­вается в аккумулятор тепла, поднимается через камни и вновь

Рис. 3.35. Обращенный на

юг вертикальный солнеч­ный коллектор и теплоак­кумулирующая стена в со­четании с отдельно распо­ложенным аккумулятором тепла (поперечный разрез) j _ вентилятор; 2 — потолок;

3__ приточная вентиляция; 4—

нагретый солнцем воздух; 5 — теплообмен излучением: 6 —

байпас на случай, если отоп­ления не требуется: 7 — охлаж­денный воздух из помещения; 8 — дополнительный аккумуля­тор солнечного тепла: 9 — сол­нечные лучи: 10 — прозрачное

покрытие, одно — или двухслой­ное; // —зачерненная теплопо­глощающая поверхность; 12 — стена, аккумулирующая сол­нечное тепло; 13 — промежуток для раздвижных изолирующих ставней

поступает в помещение, нагретое теплом камней. Если в поме­щении тепло, то жалюзи поверх аккумулятора тепла закрыты Такой тепловой аккумулятор можно отделяїь в тепловом отно­шении от помещения с помощью подвижных изолирующих па­нелей. Если тепло не требуется, то изоляция удерживает его внутри аккумулятора тепла Когда требуется помещение нагреть, изолирующие панели удаляются, и тепло отдается аккумулято­ром в помещение.

В этом разделе рассматривались в основном обращенные на юг вертикальные коллекторы, и на то есть причины, наиболее важной из которых является относительная легкость постройки таких коллекторов по сравнению с наклонными коллекторами, встроенными в крышу. В основном это касается особенностей остекления подобных прозрачных ограждений Разница в стои­мости между фонарями верхнего света и окнами свидетельствует в пользу последних, в частности, потому, что наклонные и го­ризонтальные крыши и остекление защитить от непогоды труд­нее, чем вертикальные стены и остекление. Другим важным со­ображением является архитектурное ограничение применения высоких островерхих крыш. Внутренние помещения под такими крышами трудно использовать

Крупные здания имеют большую площадь стен и меньшую площадь крыши. При правильном использовании стены могут внести значительный вклад в энергетический баланс здания. Вертикальные стены, выходящие на юг, можно легко затенять летом Это не дает возможности коллектору достичь высоких, потенциально разрушительных температур. Той немногой энер-

но

гии летнего солнца, реально попадающей на южную стену, впол­не достаточно для возникновения естественной вентиляции здания. і

Общее количество солнечного тепла в ясный день, поступаю­щего на обращенные на юг поверхности, приближается к сезон­ным потребностям. В большинстве континентальных районов Соединенных Штатов наибольшее поступление тепла на верти­кальные южные поверхности отмечается в январе и феврале, т. е. в самые холодные месяцы, а наименьшее — в июле и авгу­сте, т. е. в самые теплые месяцы. Как видно из коэффициентов инсоляции в солнечный день, приведенных в разделе «Солнеч­ная радиация», общее количество солнечной энергии, поступаю­щей на вертикальные поверхности в середине зимы, только на 10% ниже, чем па наклонные поверхности, т. е 20 000 кДж/м2 в день против 22 000 кДж/м2. Если же к 20 000 кДж/м2 добавить еще 10—30% от этого уровня энергии, отраженной от снега, то приход солнечной энергии на вертикальные поверхности превы­сит уровень поступления солнечной энергии на наклонные. Дру­гие отражающие поверхности, такие, например, как зеркало плавательных бассейнов, озер, покрытие пешеходных дорожек из белого гравия и бетона, также лучше взаимодействуют с вер­тикальными коллекторами.

Иногда кажется неразумным заменять окно, которое непо­средственно пропускает свет и тепло в здание, непрозрачным стеновым солнечным коллектором. Однако к настоящему вре­мени преимущества сочетания окон и коллекторов становятся все более очевидными: во-первых, интерьер помещения может быть нарушен, если весь южный фасад состоит только из стекла и окон; во-вторых, солнечные лучи обесцвечивают и иногда по­вреждают мебель, полы и ткани; в-третьих, люди часто чувст­вуют себя неуютно под прямыми лучами солнца, поэтому от посылающего тепло прямого солнечного света защищаются шторами или навесами.

Другая проблема заключается в потере комфорта из-за пере­грева, вызываемого стеклянной стеной, несмотря на использова­ние бетонных полов и перегородок. Благодаря солнечным кол­лекторам и аккумуляторам тепла в южных стенах тепло можно передавать в другие, прохладные части здания или удерживать и хранить его для дальнейшего использования

Потери тепла в окружающую среду потенциально можно уменьшить с большей эффективностью с помощью стенного сол­нечного коллектора, чем при использовании простого окна.

Циркуляция воздуха или воды осуществляется в термосифон­ных солнечных панелях естественным путем без таких вспомо­гательных источников энергии, как, например, вентилятор, или насос. Этот принцип очень важен для понимания этого по су­ществу простого и в то же время требующего правильного под­хода метода использования солнечной энергии. При нагреве солнечными лучами воздуха или воды происходит их расшире­ние и подъем вверх по коллектору. Это движение влечет за со­бой замещение этих объемов более прохладным и плотным воз­духом или водой из аккумулятора солнечного тепла или из здания.

Простейший вид термосифонных солнечных коллекторов по­казан на рис. 3.1. При использовании большого числа таких коллекторов прохладный воздух в помещении затягивается под основание стены, нагревается и затем выпускается из ее верх­ней части.

Наиболее значительные исследования в области пассивного использования солнечной энергии, в частности термосифонных коллекторов, проводятся в Национальном центре научных ис­следований под руководством директора центра проф. Феликса Тромба. Лаборатории центра размещены в получившем широ­кую известность здании, так называемой «Солнечной печи» в г. Одейо, Франция. Само это здание является прекрасным при­мером использования солнечной энергии для отопления поме­щений в объеме большого здания на основе предельно простых принципов при отсутствии движущихся частей. На рис. 3 2 по­казан восточный фасад здания. Северная сторона здания вогну­та по форме параболического рефлектора, фокусирующего сол­нечные лучи, поступающие параллельным потоком от зеркаль­ных гелиостатов, размещенных па склоне холма к северу от здания. Гелиостаты Поворачиваются за солнцем и отражают лу­чи на параболический рефлектор. Другие стены здания центра представляют собой сочетания окон и пассивных термосифон­ных солнечных коллекторов, от которых это девятиэтажное зда­ние получает примерно половину тепла на отопление. В конст­рукции солнечных коллекторов черные волнистые металлические панели располагаются за стеклами, покрывающими восточные, южные и западные стены здания. Схема коллектора представ­лена на рис. 3.3. Солнечная радиация проникает через стекло и попадает на поверхность волнистой металлической панели, кото­рая находится в объеме, ограниченном стеклами и воздуховодом. По мере нагрева металла нагревается и воздух между поглощаю­щей панелью и стеклом. Нагреваясь, воздух поднимается вверх и через отверстие поступает в помещение. Одновременно более прохладный комнатный воздух засасывается через то же отвер­стие и опускается вниз между обратной стороной поглотителя и воздуховодом. На рис. 3.4 показан внешний вид окон и коллек­тора.

Специальное оборудование для хранения тепла в этой систе­ме предусматривалось. Роль аккумулятора солнечной энергии исполняла масса са­мого здания (особенно бе тонных перекрытий). Из от­четов следует, что темпера­тура в служебных помеще­ниях и лабораториях под­держивается на достаточно

Рис. 3.1. Естественное термоси­фонное движение воздуха через солнечные коллекторы

/—теплый воздух, 2 — прохладный роздух

постоянном уровне. Даже в феврале дополнительное тепло тре­буется только ночью и в облачные дни.

Погодные условия в Одейо особенно благоприятны для такой конструкции. Почти 90% дневных часов в течение года являются солнечными. В летние месяцы температура сравнительно невы­сока. Это позволяет использовать ориентированные на восток или запад коллекторы, которые в жарком климате сильно пере­гревают большинство зданий. Кроме того, в отличие от многих больших зданий здесь нет круглогодичной нагрузки на конди­ционирование, обеспечение которой могло бы потребовать при­менения солнечных коллекторов, способных нагревать теплоно­ситель до более высоких температур для приведения в действие абсорбционного холодильного оборудования. Поэтому эта систе­ма является удачным прототипом крупномасштабных пассивных систем.

Как показали расчеты, в стене между поглотителем и внут­ренним пространством помещения не требуется никакой изоля­ции (рис. 3.5), Однако для уменьшения потерь тепла ночью, когда стена должна быть достаточно изолирована, с внешней стороны остекления можно ставить изолирующие ставни. На рис. 3.6 и 3.7 показаны раздвижные ставни, расположенные с на — • ружной стороны здания. Промежуток между двумя прозрачны­ми слоями (стекло или пластик) можно заполнить шариками из

полистирола; в этой конструкции «Бидуолл» фирмы «Зоумуоркс корпорейшн» шарики удаляются утром, открывая путь солнцу, и заполняют пространство ночью, обеспечивая изоляцию.

Обычный «плоский» поглотитель необязательно в термосифон­ных коллекторах должен иметь вид плоского металлического листа. В разделе о коллекторах воздушного типа в последней части книги рассматривается ряд альтернативных вариантов стандартному плоскому металлическому листу. Вариант, рас­смотренный здесь, представлен на рис. 3.6, где поверхность поглотителя есть поверхность реальной стены, в данном случае со втопленной в бетон зачерненной каменной крошкой.

Поверхность поглотителя, разработанного Джимом Петерсо­ном и Марком Томсеном из фирмы «Боулдер энд Джерри Планкетт», г. Денвер, выполнена из алюминиевых жестянок из-под содовой воды и пива, подрезанных до высоты 50,8 мм, которые прикреплены к листу фанеры. Все устройство окраше­но в черный цвет и покрыто пластиком или другим прозрачным материалом. На каждый квадратный фут (0,092 м2) коллектора требуется примерно 10 жестянок. На рис. 3.8 показан вариант этой конструкции, где жестянки разрезаны пополам и прикреп­лены к стандартной фанерной обшивке обычных каркасных домов.

1 — потолок, 2 — теплый воздух 3 — прохладный воздух 4 — пол, 5 — раз движные ставни 6 — зачерненная теп лопоглощающая поверхность с камен ной крошкой

Рис 3 7 Вид в плане вертикаль­ного термосифонного солнечного коллектора с раздвижными изо­лирующими ставнями и теплоак­кумулятором в виде бетонной сте­ны

1 — бетонная стена 2 — стекло 3 — ко­зырек 4 — зачерненная поверхность теплоприемника 5 — приточная каме­ра для нагретого солнцем воздуха в — раздвижные изолирующие ставни 7 — внутреннее помещение

Для обеспечения затенения летом, изоляции ночью и тер- мосифонирования нагретого солнцем воздуха можно между двумя слоями остекления с промежутком несколько дюймов установить подъемные жалюзи (рис 3 9), сохраняющие хороший обзор из окна. Одна сторона жалюзи должна быть окрашена в черный цвет, другая—’Покрыта отражающей серебряной крас­кой. Жалюзи могут иметь много различных положений и функ­ций (рис 3 10).

1. Чтобы обеспечить прямое поступление солнечного тепла в помещение, жалюзи поднимаются наверх, открывая макси­мальный доступ солнечным лучам.

2. Их можно оставить в развернутом положении, повернув пластинки так, чтобы они были параллельны лучам света

3. Для контролируемого поступления солнечного тепла жа­люзи находятся в развернутом положении и слегка повернуты черной стороной к солнцу: благодаря этому внутрь поступает некоторое количество света и тепла.

£>ис 3 8. Недорогой кол­лектор воздушного типа, смонтированный на на­ружных стенах

/__ внутренний отделочный

слой, 2 —изоляция. 3 — каркас стены (2X4), 4 —фа­нера, окрашенная в черный цвет, 5 — рама солнечного коллектора (2X4) 6 •— стек­

ло или пластмасса, 7 — рас порка, 8 — полонинки кон Серовых банок прикреплены к фанере и окрашены в черный цвет, вокруг них циркулирует и нагревается воздух

Для повышения эффективности работы системы, обеспечения регулирования движением воздуха и создания небольшой при­точной вентиляции к выходному (или входному) концу коллек­тора можно добавить вентилятор (рис. 3.11). Вентилятор можно также использовать для подачи воздуха в другие части здания, например, в помещения на северной стороне. Таким образом, при правильном сочетании функций окон и солнечных коллекто­ров можно одновременно обогревать как помещения на солнеч­ной стороне (используя окна), так н помещения в затененной части (используя вентиляторы для подачи нагретого солнцем воздуха).

Для регулирования воздушного потока ппоіда могут требо­ваться заслонки (имеется в виду возможность возникновения

охлаждающего эффекта вследствие обратной циркуляции). Это проис­ходит, когда нет солппа и воздух в коллекторе в результате теплопе­редачи и радиационных потерь теп­ла наружу охлаждается. По мере охлаждения воздух опускается по поверхности поглотителя п поступа­ет в помещение, затягивая за собой теплый комнатный воздух через верхнюю часть коллектора (рис. 3.12).

Рис 3 9. Солнечное коллекторное устройст­во с регулируемыми подъемными жалюзи

/ — позиция 4. 2— черное покрытие, 3 — посере бренное покрытие, 4 — к тепловому аккумулятору ион в северную часть здания 5 — теплый воздух в помещение, 6 — жалюзи подъемного типа 7— стекло или пластмасса, 8 — прохладный воздух из помещения, 9 — от теплового аккумулятора или из северной части здания

Рис 3 10 Другие пять позиций регулируе­мых жалюзи в солнечном коллекторном устройстве

1 — черное покрытие, 2 — посеребренное покры — п е. позицию А см на рис 3 9

1 — вентилятор, 2 — более узкий воздушный промежуток, чем при отсутствии вентилятора, 3— теплый воздух, 4 — прохладный воздух

Рис 3 13 Использование тер­мосифонного эффекта для вен­тиляции за счет естественной конвекции

1 — теплый воздух, 2 — заспонки, 3 — прохладным воздух

Режим охлаждения, естественно, благоприятен в теплые лет­ние ночи, по, конечно, неприемлем зимой. При помощи таких заслонок также контролируется перегрев помещений в теплую и жаркую погоду. При правильных конструктивных решениях, с их помощью можно регулировать естественную вентиляцию зда­ний, как показано на рис 3.13 Прохладный воздух может авто­матически засасываться в здание при помощи «дымоходной» системы вытяжки, которую создает поток нагретого солнцем воз­духа.

Во всех случаях заслонки могут иметь ручное или автома­тическое регулирование в соответствии с внутренними и наруж­ными условиями. Они могут также открываться и закрываться под действием давления, создаваемого вентилятором. На рис. 3 14 заслонку в действие приводит естественное давление

а — заслонка открывается за счет перепада давления; б — заслонка закрывается при повышении давления воздуха в помещении; І — заслонка; 2 — теплый воздух; 3 — про­хладный воздух воздуха. В системах солнечного воздушного отопления заслон­ки должны иметь простую конструкцию и легко регулироваться. Они должны также плотно закрываться, и их количество долж­но быть как можно меньше.

В наши дни наиболее разумными путями использования сол­нечной энергии, по-видимому, является использование процес­сов, которые не требуют слишком дорогих материалов, приме­нения сложного оборудования в виде систем и подсистем или многих движущихся частей. Примерами «пассивной» или «мяг­кой» технологии могут служить окна, изолирующие ставни для окон, затеняющие устройства, тепловая инерция в зданиях и термосифонные солнечные коллекторы. Большинство из этих примеров было уже рассмотрено. Дальнейшим развитием темы разработки здания как солнечного коллектора является синтез этих решений с другими компонентами здания. Такие решения можно рассматривать скорее в качестве пристройки к зданию, а не специального оборудования. Различия между «пристрой­кой» и «оборудованием», а следовательно, между этими «мягки­ми» солнечными проектами и проектами, которые обсуждаются в части V, часто весьма условны. И это естественно. В этой свя­зи представляет интерес попытка определить влияние разнооб­разных решений, воплощенных в различных проектах, на общую экономию энергии и ресурсов, уменьшение загрязнения среды и экологического равновесия.

Доктор Хойт Хоттел, который содействовал постройке пер­вого солнечного дома Массачусетского технологического инсти­тута еще в 1939 г., предупреждал, что легко недооценить труд­ности (и расходы), связанные со строительством дома, исполь­зующего солнечную энергию. Тем не менее Стив Баэр, Гарольд Хэй, Гарри Томасон и другие делали попытки упростить свои проекты пассивных систем, но весьма изощренными методами.

Экономическое сравнение между пассивными и активными системами часто говорит в пользу пассивных. Нередко такие системы не только дешевле, по и более эффективны.

Предположим, например, что на каждый квадратный метр окна ежедневно поступает около 10 000 кДж тепла. Если окно имеет двойное остекление, то можно считать, что в помещение поступит около 8000 кДж. Если средняя температура наружного воздуха составляет около 2° С, то потери тепла за сутки соста­вят около 4200 кДж. Чистое поступление тепла будет равно примерно 3700 кДж. Окно в качестве солнечного коллектора имеет КПД примерно 37% (3700 разделить на 10 000). Эта ве­

личина КПД сравнима с сезонным КПД размещенного на кры­ше коллектора, который можно считать специальным оборудо­ванием. Однако первому варианту свойственна существенно меньшая цена и большая простота конструкции. Кроме того, на другой день солнце может быть закрыто облаками, однако поте­ри тепла через окно не прекращаются. Чистое поступление теп­ла может оказаться равным нулю, следовательно, и общий КПД также будет равен нулю. Солнечный коллектор (типа «обору­дование») нс имеет никакого КПД, поскольку он не функциони­рует. Предположим, что па ночь окна закрываются изолирую­щими ставнями или, скажем, на две трети всего времени. За двухдневный период окно собирает 8000 кДж тепла в течение 8 ч и теряет его за 48 ч. В течение 16 из этих 48 ч ставни от­крыты, н через окно теряется около 2600 кДж. Остальные 32 ч ставни закрыты, и потери тепла в час сокращаются в пять раз, т. е. теряется только около 1000 кДж. Общие потери тепла за двое суток составят 4000 кДж, а общее поступление солнечного тепла будет 8000 кДж. При этом чистое поступление тепла через оконный «солнечный коллектор» равняется 4000 кДж (8000 ми­нус 4000) при КПД = 40% (4000 разделить на 10 000). Эта эф­фективность такая же или даже лучше, чем у большинства хит­роумных, хорошо спроектированных систем, но при этом значи­тельно дешевле и проще. В этой части рассматриваются реше­ния, промежуточные по стоимости и сложности между окнами и солнечными энергетическими системами, в которых использует­ся большое количество приводов управления, клапанов, трубо­проводов, воздуховодов, насосов, вентиляторов и теплообмен­ников.

В разделе «Здание как солнечный коллектор» рассматрива­лись методы регулирования естественного поступления в здание и использования тепловой энергии солнечного излучения без

помощи промышленного солнечного коллектора, устанавливае­мого на здание как элемента «оборудования». В следующем разделе «Здание как аккумулятор солнечной энергии» предпо­лагалось, что солнечные лучи имеют возможность проникать в здание, в котором солнечная энергия аккумулируется в виде тепла для дальнейшего использования. Если здание проектиру­ется с учетом аккумулирования солнечного тепла с целью его дальнейшего использования, то в конструкции здания должны быть предусмотрены меры по предотвращению или, по крайней мере, снижению утечки тепла.

Утечки тепла нз здания в холодную погоду обычно называ­ются тепловыми потерями. И наоборот, летом, когда снаружи жарче, чем внутри, здание поглощает тепло Этот процесс назы­вается притоком тепла (это тепло добавляется к солнечному теплу, условия поступления которого рассматривались выше). Фактически попытки уменьшить (или, по крайней мере, кон­тролировать) уровень перетока тепла в здание или из него и преследуют цель экономии энергии в строительном проектиро­вании Обычно основное внимание при этом уделяется снижению тепловых потерь зимой, но рассматривается также возможность уменьшения притока тепла летом. В большинстве случаев уси­лия, направленные на уменьшение потерь тепла, также способ­ствуют снижению притока тепла.

Помимо использования солнечной энергии для экономии других видов энергии существуют множество проектных реше­ний, которые способствуют экономии энергии в зданиях. Рас­смотрение и использование этих вариантов во многом имеет большее значение, чем мероприятия по использованию солнеч­ной энергии в качестве решения проблемы энергетического де­фицита В США потребляется гораздо больше энергии, чем это необходимо. Поэтому прежде, чем обратиться к другим источ­никам энергии, следует сначала снизить уровень потребляемой энергии. В США почти нет зданий, которые были бы спроекти­рованы в теплоизоляционном отношении с учетом возможного изменения энергетической ситуации через десять или даже пять лет На отопление жилых и промышленных зданий в США еже­годно расходуется более 13ХІ05 кДж (или примерно 2 млрд, баррелей нефти), что составляет 18% общенационального расхода.

К счастью, варианты экономии энергии в зданиях столь мно­гочисленны, что простое перечисление их потребовало бы целого тома. Однако в процессе принятия решения всегда предстоит сделать компромисс между разными типами зданий, разными климатическими условиями, разными человеческими потребно­стями и разными приоритетами. Многие решения по экономии энергии непосредственно не связаны с мерами по удержанию тепла внутри зданий, хотя они могут оказывать па это побочное влияние. Примерами таких вариантов служат рациональный выбор типов и размеров отопительного, вентиляционного обору­дования или оборудования для кондиционирования воздуха, включая совершенствование методов его эксплуатации для сни­жения потребления энергии и методов контроля режимов рабо­ты; проблема использования естественного освещения в качест­ве замены искусственного (электрического) освещения путем взвешивания компромиссов между применением проемов в зда­ниях (например, окон) для освещения, что потенциально увели­чивает теплопотери зимой и приток тепла летом, и использова­нием энергии в виде электричества для освещения; проблема увеличения и уменьшения влажности; проблема выбора вспомо­гательного оборудования и ею эксплуатация; проблема внут­ренней и поэтажной планировки н проблема движения влаги через степы, крыши, полы и окна.

Ниже будут кратко рассмотрены основные способы сохране­ния тепла в здании. В этой связи должны рассматриваться: изо­ляция, типы окон и дверей, форма зданий, ставни на окнах, уменьшение инфильтрации воздуха, защита от ветра и регене­рация тепла. Между мероприятиями по экономии энергии в строительном проектировании и использованием солнечной энергии для отопления и охлаждения существует прямая связь. При уменьшении нагрузки на теплоснабжение уменьшается и полезный размер здания, а также необходимый размер солнеч­ной отопительной установки независимо от того, используются ли приток солнечного тепла через окна и тепловая масса здания или солнечная установка представляет собой только пристрой­ку к зданиям с насосами, вентиляторами, теплообменниками и теплоаккумулятором. Благодаря меньшей мощности солнечной установки снижается не только первоначальная стоимость зда­ния, но уменьшаются также энергетические затраты в целом, поскольку потребность в отоплении и охлаждении становится меньше.

Кроме уменьшения мощности системы солнечного отопления, можно уменьшить и другие составляющие баланса экономии энергии. При снижении отопительной нагрузки или нагрузки на кондиционирование можно уменьшить объем вспомогательного оборудования, дублирующего солнечную установку. Уменьше­ние мощности этого оборудования означает соответствующее уменьшение размеров (и стоимости) отопительных труб, элек­тропроводки для оборудования и размеров газоходов Длина каналов и труб также может быть меньше, поскольку они не­обязательно должны охватывать весь периметр здания, чтобы поддерживать комфортные условия в течение отопительного се­зона.

Более компактное здание, в котором расходуется меньше знеріии на отопление, обеспечивает более комфортную среду обитания. Изоляция уменьшает влияние холодных стен Зимой внутренняя поверхность неизолированных стен на 5—8° С хо­лоднее, чем поверхность изолированных стен. Изоляция повы­шает температуру внутренних поверхностей стен, и люди чувст­вуют себя более комфортно. Тело человека, находящегося в ок­ружении холодных стен, пола или потолка, теряет тепло слиш­ком быстро, и человек испытывает чувство холода и диском­форта. Летом условия меняются, и излишне нагретые поверхно­сти стен затрудняют поддержание необходимой для человека прохлады

Если температура внутренних поверхностей здания создает в помещении дискомфорт, то люди включают термостат почти на полную мощность зимой, чтобы увеличить приток тепла, а летом ставят его на слабый режим, чтобы обеспечить про­хладу Это приводит к повышенному расходу энергии

В более компактных зданиях обеспечивается более равно­мерное распределение температуры воздуха в помещениях и между полом и потолком. Воздух, омывающий холодные стены, охлаждается, его плотность увеличивается и он опускается к по­лу. Происходит замещение теплого воздуха, который подни­мается. Это постоянное движение воздуха (тяга) создает диском­форт. Инфильтрация наружного воздуха через щели в огражда­ющих конструкциях здания также вызывает сквозняки, поэтому уменьшение инфильтрации повышает комфортность.

Дополнительная изоляция, призванная уменьшить потреб­ление энергии, способствует, кроме того, созданию акустическо­го барьера между зданием и внешней средой Лучше изоляции в этом отношении являются вторые оконные рамы и двери или двойное остекление

Существует много полезных альтернатив для уменьшения потребления энергии, использование которых не всегда оказы­вает существенное влияние на проект здания. Один известный инженер-механик, являющийся сторонником экономии энергии в зданиях, приводит в качестве примера строительство двух одинаковых школьных зданий с одинаковым инженерным обо­рудованием. Школы были построены в сходных климатических условиях на расстоянии нескольких километров друг от друга. Однако в одной школе расход энергии на освещение, отопление, охлаждение п вентиляцию почти вдвое превышал показатель для другой школы. Главная причина такой большой разницы связана только с качеством эксплуатации зданий и оборудо­вания.

Одним из основных способов, с помощью которого можно уменьшить потребление энергии, состоит в изменении нашего образа жизни (и методов эксплуатации зданий), в том числе поддержание в доме более низких температур.

Шторы должны быть открыты в течение дня, чтобы пропус­кать солнечный свет в здание (разумеется, это не относится к окнам, обращенным на север); ночью шторы должны быть закрыты Намного эффективнее штор внутренние изолирующие ставни, обеспечивающие плотное закрывание окон и, по сути дела, трансформирующие их в стену Этот важный фактор об­суждается ниже.

При открывании окон и дверей необходимо принять все ме­ры, чтобы уменьшить количество холодного наружного воздуха, поступающего через проемы в зданиях. Уплотнение дверей, окон и других проемов может быть наилучшим методом эконо­мии энергии. Во многих районах страны вторые оконные рамы окупают себя за несколько лет за счет экономии энергии.

Для того чтобы оценить методы сохранения тепла внутри зданий, нужно иметь представление о величинах, в которых из­меряется количество теплоты (калория или джоуль), и градусо­днях и применять эти величины так же свободно, как мы сейчас пользуемся терминами «лошадиная сила» или «количество лит­ров на 100 километров» Определение «калория или джоуль» часто повторяется в этой книге: «калория (кал) — это количест­во теплоты, которое необходимо затратить для нагревания 1 г воды на 1 град. Таким образом, для повышения температуры 100 г воды на 1 град потребуется 100 кал (или 41,9 Дж). То же количество джоулей потребуется для повышения температуры 1 г воды на 100 град».

Понятие «градусо-день» несколько более сложное. В некото­ром смысле оно сходно с измерением трудозатрат в человеко­днях. Работу, которую 1 человек выполняет за 1 день, можно определить в количестве 1 чел.-дня. Аналогичным образом, если температура наружного воздуха на 1 град ниже температуры воздуха в здании в течение 1 дня, то отопительная нагрузка на здание может быть оценена в 1 град-день. Обычно на прак­тике в качестве базисной используется внутренняя температура 19° С, от которой отсчитывается величина 1 град-дня, поскольку большинство зданий отопления не требует, если наружная тем­пература находится в пределах 14,6—19° С. Если наружная температура в течение 1 дня составляет 4° С, то получается 15 град-дпей (19° минус 4° С). Если наружная температура со­ставляет 14° в течение 3 днёй, то получается также 15 град-дней (19° минус 14° и разность, умноженная на 3 дня). Аналогично, если наружная температура равна 18° С в течение 15 дней, то в итоге имеем 15 град-дпей.

Пожалуй, столь же критическими для понимания потерь тепла являются понятия величин R и U. Величина R обознача­ет термическое сопротивление изоляции (при теплопередаче). Величина R является единицей измерения, показывающей вели­чину удельного сопротивления переносу тепла при прохождении через определенный материал. Чем выше величина R, тем луч­ше изоляционные свойства материала.

Термин «величина U» также связан с оценкой условий теп­лопередачи. В отличие от величин R, которые относятся к еди­ничным материалам, величины U относятся к сочетанию всех

используемых в конкретном случае материалов, например к СО* четанию материалов, из которых состоит стена. К примеру, величина U типичной стены будет представлять собой сумму изоляционных свойств наружной облицовки, обшивки, утепли­теля, внутреннего отделочного слоя, воздушных промежутков и воздушных пленок. Чем ниже величина U, тем лучше сопротив­ление стены переносу тепла.

Математически величина U обратно пропорциональна сумме величин R материалов, входящих в данное сочетание. Если стена состоит из материалов с величинами R порядка 0,12; 0,18; 2,64; 0,20 и 0,03 единицы, то суммарная величина R будет со­ставлять 3,17. При этом величина 0 обратна этой сумме, т. е равна 1/3,17 или 0,315.

Величиной U измеряется количество тепла па единицу по­верхности за 1 ч. При этом разность между температурами про­тивоположных поверхностей стены (или другой конструкции, сочетающей разные материалы) является в некотором смысле напором, под действием которого это тепло переносится через материал. Если наружная температура составляет —4° С, то перенос тепла из здания в этом случае осуществляется под дей­ствием большего напора, чем при наружной температуре + 15° С. Величина U измеряется в Вт на 1 м2 на град. Кельвина. Это обозначение [Вт/(м2-град)] и используется в тексте книги. В рассмотренном выше примере стена имеет величину U, рав­ную 0,315 Вт/(м2-град).

На вертикальных линейных диаграммах показаны некоторые типичные величины R и U (рис. 2.39 и 2.40). Более подробные сводные данные приведены в разделе «Изоляционные свойства строительных материалов».

Понятие расчетных температур обычно используется инже­нерами для определения мощности отопительного и охлаждаю­щего оборудования. Расчетная температура — это экстремаль­ная наружная температура, налагающая наибольшую нагрузку на инженерное оборудование. Поскольку эта температура при­меняется повсеместно, то тепловые характеристики зданий часто определяются количеством килоджоулей в час, которое должно произвести отопительное (или охлаждающее) оборудование или вывести из здания для поддержания требуемого уровня комфорта, когда температуры наружного воздуха имеют экст­ремальные значения. Типичные значения тепловой мощности для жилых домов находятся в пределах 65—160 тыс. кДж/ч, хотя при принятии мер по экономии энергии эти значения мож­но уменьшить по крайней мере вдвое. Уровень расчетной темпе­ратуры зависит от климата района размещения и может ме­няться, например, от 40° С ниже нуля для некоторых холодных районов США (на Аляске температура может быть еще ниже) до 0° для некоторых теплых районов. Поэтому расчетная тем­пература не обеспечивает абсолютных тепловых характеристик

Рис. 2 39. Некото­рые типичные зна­чения Я, Вт/(м2Х Хград)

1 — листовая изоля­ция из полиуретана толщиной 50 мм; 2 — пористая вермикули — товая изоляция тол­щиной 150 мм, 3 — 50-мм полиуретано­вая изоляция. 4 — сіекловолокпистая изоляция толщиной 90 мм, 5 — 300-мм слой льда или сухо­го снега, 6 — 50 мм изоляция из поли­стирола; 7 — воздуш­ный промежуток в стене — отражающая металлическая фоль­га; 8 — клеи, дуб или аналогичная твердая древесина толщиной 75 мм; 9 — ель. сосна или ана­логичная мягкая дре­весина толщиной 50 мм, 10 — 250 мм слой твердого бето­на, 11 — обыкновен­ный кирпич. 200 мм;

12 — бетонный блок толщиной 200 мм;

13 — 20-мм воздуш­ный зазор в стене;

14 — 125—250 мм слой сухого песка или грунта. 15 — непод­вижный слой воз­духа со стороны по­мещения, 16 — не­подвижный слой на­ружного воздуха, 17 — 10-мм слой ка­менной облицовки

<§г

днеи для данного района.

С другой стороны, с помощью понятия градуео-дией тепло­вая характеристика оценивается в абсолютном виде путем срав­нения зданий между собой независимо от их местоположения. Здания теряют тепло примерно пропорционально разности меж­ду внутренней и наружной температурами. Таким образом, чем больше количество градусо-дпей, тем больше потери тепла. Поэтому здания можно классифицировать по количеству кило­джоулей, которое они теряют на 1 град-день. Типичные значе­ния этой величины для жилых домов находятся в пределах от 16 000 до 43 000 кДж/град-день. С помощью мер по экономии
энергии эти значения можно уменьшить минимум в два раза. Дополнительное преимущество использования понятия граду — со-дней заключается в том, что с его помощью можно доволь­но просто определить количество энергии, которое потребляет здание в течение года. Например, для жилого дома с тепловой характеристикой 21 100 кДж/град-день, находящегося в клима­тических условиях Ныо-Иорка (2800 град-день), общее количе­ство энергии, которое здание теряет через свои ограждающие конструкции, составляет величину, равную произведению 21 100 кДж/град-дсиь на 2800 град-день Это равно 59 млп. кДж/год, что эквивалентно сжиганию около 1000 галлонов неф­ти в год при КПД печи 70%, или расходу 30 000 кВт-ч при электрическом отоплении.

Не для всех зданий требуемое количество тепловой энергии следует определять исходя из уровня наружных температур. Например, большое административное здание может не отапли­ваться всю зиму благодаря теплу, которое выделяется людьми, освещением и оборудованием. Если эти источники энергопоступ­ления исключить из рассмотрения, то тепловые нагрузки такого здания можно оценивать по методу градусо-дней, так как это делается для малых зданий.

Тепловые потери типичных жилых домов и других зданий происходят по трем основным причинам:

1) вследствие теплопроводности через стены, крыши и полы, а также вследствие (но в гораздо меньшей степени) излучения и конвекции;

2) вследствие теплопроводности и в меньшей степени путем излучения и конвекции через окна и иное остекление;

3) путем конвекции и перетока воздуха через элементы на­ружного ограждения здания. Этот переток обычно происходит через открытые окна, двери и вентиляционные отверстия (при­нудительно или естественно) или путем инфильтрации, Т. е. проникновения воздуха через щели в ограждающих конструк­циях здания, например по периметру дверных и оконных рам.

В зависимости от того, имеет ли здание хорошую изоляцию или нет, много в нем окон или мало, наблюдается ли через него движение воздуха или нет, каждый из этих трех факторов со­ставляет 20—50% общих тепловых потерь здания.

Предположим, что потери тепла в здании имеют место в рав­ной мере по трем вышеуказанным факторам. Это графически иллюстрируется диаграммой в виде круга, разрезанного на три равные части (рис. 2.41). Если какую-либо одну из этих состав­ных частей уменьшить вдвое, то общие тепловые потери умень­шатся только на одну шестую часть (рис. 2.42). Это говорит о том, что все три фактора следует рассматривать в равной ме­ре, не выделяя тот или иной.

Основные источники тепловых потерь здания почти невоз­можно рассматривать независимо друг от друга. Например, в результате добавления вторых рам в окна потери вследствие теплопроводности сокращаются в два раза. При этом сущест­венно уменьшается и присос воздуха. Снижается также и на­грузка на кондиционирование.

На рис. 2 43 показано, что разные типы остекления и конст­рукций стен существенно различаются по количеству проходя­щего через них тепла. Приведенные на этой диаграмме величины представляют собой лишь потери вследствие теплопроводности, поэтому эти значения не являются абсолютными по своей точ­ности и носят относительный характер. Например, строитель­ным конструкциям, в которых широко используется стекло, свойственен более высокий уровень потерь из-за присоса возду­ха в отличие от конструкций из непрозрачных материалов, ис­пользуемых для возведения стен, крыш и полов.

При одних и тех же внутренних и наружных условиях оди­нарное остекление пропустит более 120 кДж, двойное остекле­ние — 65, тройное — 42, двойное остекление с внутренними изо­лирующими ставнями— 13 и стандартная стена — 7 кДж. Стены и покрытия с очень хорошей изоляцией пропустят 4 кДж. Другими словами, двойное остекление пропустит тепла вдвое меньше, чем одинарное, а стена с хорошей изоляцией — около одной тридцатой (около 4%) того количества тепла, которое проходит через одинарное остекление. Одинаковое количество тепла будет потеряно через хорошо изолированную стену дли­ной Эми высотой 2,5 м и через окно с одинарным остеклением шириной 0,6 м и высотой 1,2 м.

Применение изолирующих ставней для закрытия окон ночью значительно снижает теплопотери. Они могут эффективно сни­жать радиационные потери тепла и в зависимости от типа стро­ительных конструкций почти полностью исключать фильтрацию воздуха. В зависимости от теплового сопротивления изолирую­щих ставней потери тепла вследствие теплопроводности через окно со ставнями можно уменьшить до десяти раз по сражению с окном без ставней. На рис. 2.43 показано уменьшение тепло­потерь в пять раз — с 65 до 13 кДж.

В качестве простого примера экономии в результате приме­нения ставней сравним потери через окно вследствие теплопро­водности и для случаев отсутствия ставней. Если ставни откры­ты только в течение дневных часов, т. с от 40 до 65% времени отопительного сезона, то благодаря ставням теплопотери будут существенно снижены в течение остальной части отопительного сезона. Нагрузка в 2800 град-дней и одинарное остекление с ве­личиной U, равной 6,5 Вт/(м2-град), дают потерю тепла в 435,25 кВт на 1 м2 остекления за сезон. Если используются ставни, то суммарная величина U в этом случае составляет 0,68 Вт/(м2-град). Если ставни закрыты одну треть времени, то будет сэкономлено примерно 30% энергии. Если ставни закры­ты половину времени, то будет сэкономлено примерно

Рис 2 41 Примерная структура тепловых потерь в обычном жилом доме I

1 — через окна — 33’/з%. 2 — через сте­ны, крыши и полы — 33‘/з0/(ь 3 — из-за инфильтрации воздуха — 33‘/з%

Рис 2 43. Относительные уровни тепловых потерь для различных типов окон и стен

1 — одинарное остекление, 2 — двойное остекление, 3 — тройное остекление, 4 — двойное остекление с теплоизоли­рующими ставнями, 5 — стена со стан­дартной изоляцией; 6 — стена с уси­ленной изоляцией

60% энергии. В этом последнем случае около 900 000 кДж (или энергетический эквивалент примерно 1 галлона жидкого топли­ва при эффективности его использования 60%) будет эконо­миться каждый отопительный сезон на каждый квадратный метр окна.

Этот расчет не учитывает несколько факторов, которые спо­собствовали бы повышению экономии. Например, ночью, когда ставни закрыты, величина градусо-дней больше, чем днем. Ра­диационные потери тепла также наиболее значительны иочыо. В течение дневных часов, когда ставни открыты, потери тепла существенно уменьшаются, и часто компенсируются поступле­нием через окна солнечного тепла. Поэтому значение ставней для экономии энергии велико, и их применению следует уделить самое серьезное внимание.

Фирма «Зоумуоркс корпорейшн» нашла частичное решение, удовлетворяющее требованию переменной изоляции наружного ограждения здания. Система получила наименование «Би — дуолл». Она состоит из двух параллельных застекленных рам, расположенных с промежутком примерно 75 мм. При солнечной погоде тепло свободно проникает в здание. Когда солнца нет и когда желательно уменьшить потери тепла, в зазор между стек­лами при помощи вакуум-насоса выдуваются крошечные белые шарики (бусинки) полистирола, превращая стеклянную поверх­ность в хорошо изолированное полупрозрачное ограждение. Эта система подробнее рассматривается ниже.

Разрабатывается также стандартная технология устройства изоляции в качестве средства герметизации зданий. Наиболее полно изоляция в жилых зданиях описывается в «Руководстве, по устройству изоляции в жилых домах и квартирах», выпущен­ном Исследовательским фондом Национальной ассоциации строителей жилых домов, г. Роквилл, шт. Мэриленд. На рис. 2.45 и 2.46 даны примеры некоторых представляющих ин­терес деталей.

Тепловые потери за счет конвекции и перетока воздуха че­рез проемы наружной оболочки здания могут составлять значи­тельную часть общих потерь тепла. Эта составляющая потерь может быть особенно велика для таких зданий, как школы, больницы и зрительные залы, в которых требуются повышенные скорости вентиляции. Согласно нормам здравоохранения, в по­мещение должно поступать определенное количество чистого, обработанного наружного воздуха. Это количество зависит от типа и размера помещения и числа пользующихся им людей. Нормы, касающиеся вентиляции, в большинстве случаев уже устарели, и их пересмотр может дать существенную экономию, если будет обнаружено, что они завышены. Например, актуаль­ным требованием, будет пятикратная «смена воздуха» в 1 ч в классных помещениях, т. е. общий объем воздуха в комнате должен быть одновременно удален и заменен чистым наружным

воздухом пять раз в течение 1 ч. Зимой может Возникнуть необ — ■ ходимость в подогреве воздуха, а летом — в его охлаждении. По новым нормам Управления безопасности труда и охраны здоровья для многих химических опытов в ряде помещений шко­лы предусматривается установка вентиляторов, которые вытя­гивают воздух в таком большом количестве, что подача тепла, необходимого для восполнения потерь, намного превышает ко­личество тепла, которое требуется для восполнения потерь вследствие теплопроводности стен здания. Нормы вентиляции и вытяжки для каждого вида работ должны быть пересмотрены в свете нехватки энергетических ресурсов.

В ситуациях, когда между внешней средой н помещением про­изводится обмен воздуха в очень большом объеме, все большее внимание должны заслуживать теплорегенерирующие устрой-

Рис 2 47. Если требует­ся по периметру изоли­ровать плиты, укладыва­емые на грунт, то изоля ция устраивается, как показано на рисунке или на наружной по­верхности фундаментных стен [5]

1 — жесткая изоляция ства. Эти устройства передают тепло от отработанного воздуха к поступающему. Летом приточный воздух охлаждается отра­ботанным.

Небольшие вентиляторы, подобные применяемым в ванных комнатах и кухнях, являются причиной утечки меньшего, но все же существенного количества тепла. Следует отдавать предпоч­тение вентиляторным системам, которые фильтруют и циркули­руют воздух, а не выбрасывают его наружу. _

Другой причиной обмена между внутренним и наружным воздухом является открывание и закрывание окон и дверей. Что­бы уменьшить расход энергии на отопление и охлаждение, каж­дый дверной проем должен иметь две двери. При необходимости эти двери могут располагаться вплотную друг к другу Напри­мер, вторая дверь может быть навешена рядом дополнительно

К основной стандартной двери. Однако лучше отделять дверй друг от друга тамбуром с тем, чтобы при открывании наружной двери внутренняя дверь оставалась закрытой. Таким образом, создается, по сути дела, декомпрессионная камера. Вращающие­ся двери приемлемы в местах с интенсивным перемещением лю­дей, а в сочетании с тамбурами такие двери являются хорошим средством экономии энергии.

Ветер является важным фактором в ежеминутном изменении количества воздуха, проникающего в здание. В книге «Проек­тирование с учетом климата» Олгиэй сообщает, что при скорости ветра 30 км/ч тепловая нагрузка здания удваивается по сравне­нию с нагрузкой, рассчитанной при скорости ветра 8 км/ч. При более высоких скоростях ветра весьма эффективной защитой здания является растительная изгородь. Экономия топлива мо­жет достигать 30% при хорошей защите здания с трех сторон. В северном полушарии обычно северная и западная стороны здания открыты ветру. Поэтому здания должны ориентировать­ся так, чтобы не попадать под господствующие ветры, или долж­ны иметь защитные экраны (природные растительные или ис­кусственные) по избежание повышенной фильтрации воздуха по периметру дверей, окон и других проемов. Входы в здание не должны располагаться с северной и западной сторон. Если же они там расположены, то защита от ветра приобретает особо важное значение. Прохладные летние ветры часто приходят с запада, а зимние ветры — с северо-востока (рис. 2.52).

Влияние защиты от ветра на потери вследствие теплопровод­ности через ограждающие здание поверхности меняется в зави­симости от величины 1) этих поверхностей. Чем выше величи­ны U, тем меньше изоляционная способность и тем необходимее защитить здание от ветра. Поэтому окно с одинарным остекле­нием требует большей защиты от ветра, чем хорошо изолирован­ная стена (рис. 2.53). Интенсивность теплоотдачи при этом зави­сит главным образом от изменения толщины наружной воздуш­ной пленки, которая прилегает к внешней поверхности стекла. Эта воздушная пленка и аналогичный ей слой воздуха на по­верхности стекла, обращенной в помещение, в основном и обус­ловливают изолирующую способность одинарного остекления. Поскольку толщина воздушной пленки меняется в зависимости от изменения скорости воздуха, омывающего поверхность стек­ла, соответственно меняется и его эффективная изолирующая способность. Для окон это изменение весьма существенно. Од­нако для хорошо изолированных стен состояние наружного слоя воздуха оказывает на общую изолирующую способность стены слабое воздействие и ее влияние на тепловые потери составляет менее 1 % (рис. 2.54).

Весьма важным при рассмотрении влияния перетоков возду­ха в здании на расход энергии является учет проникновения воз­духа через трещины и щели в стенах, крышах и окнах. Созда-

1 — здание, 2 — господствующие летние ветры 3 — зеленые (лет­ние) насаждения, 4 — господствующие зимние ветры, 5 — вечнозе­леные насаждения, 6 — зимние штормовые ветры

Рис 2 53 Относительная важность защиты поверхностей от ветра Чем мень­ше потери тепла через поверхность, тем меньше необходимость в защите от ветра

1 — степень защиты поверхности, 2 — одинарное остекление, 3 — двойное остекление, 4 — тройное остекление, 5 — хорошо изолированные стены ние замкнутых воздушных промежутков в стенах здании и плот­ная подгонка окон и дверей могут существенно уменьшить влия­ние инфильтрации воздуха. Инфильтрация воздуха через щели в ограждающих поверхностях здания является наиболее важ­ным фактом, который следует учитывать при разработке ме­роприятий по защите от воздействия ветра. Определенное коли­чество наружного воздуха необходимо людям для вентиляции и ощущения свежести, и естественное проникновение воздуха че­рез щели иногда учитывается при расчете принудительной вен­тиляции в соответствии с указаниями законодательства о здра­воохранении. Тем не менее все меры должны быть приняты, что­бы уменьшить такую неконтролируемую инфильтрацию воздуха. По мере снижения доли влияния других факторов, обусловлива­ющих потери тепла, проникновение наружного воздуха занима­ет все больший процент в общей сумме факторов. Сведя к ми­нимуму инфильтрацию воздуха и взяв за правило открывать окно или включать вентиляцию, чтобы открыть в помещение до­ступ свежему воздуху только при крайней необходимости, можно сэкономить значительное количество энергии.

Одной из основных причин уменьшения инфильтрации возду­ха является прокладка строительного картона между фанерной обшивкой и наружной облицовкой жилых домов. Отделочные

Рис. 2 55. Относитель­ные потери при инфиль­трации воздуха за сезон для различных окон

1 — порядок увеличения по­терь; 2 — откидная оконная рама из стального прокат­ного профиля, 3 — раздвиж­ная деревянная рама, плохо подогнанная, без пащель — зых реек, 4 — раздвижная рама без нательных реек, 5 — раздвижная деревянная рама среднего размера без нательных реек плохо при­гнанная деревянная рама с нательными рейками, ме­таллическая раздвижная рама с нательными рейка­ми; створный оконный пе­реплет из стального прокат­ного профиля; 6 — деревян­ный створный переплет; 7 — неоткрывающееся окно

—…

детали на наружной поверхности здания также имеют значение для уменьшения проникновения воздуха. Швы, заполненные раствором, в кирпичной кладке и между блоками должны быть непроницаемыми и качественными.

Однако более важными, тем трещины в поверхности стен, являются щели или воздушные зазоры по периметру окон и две­рей, например между оконной рамой и косяком. Для новых зда­ний входы должны проектироваться так, чтобы контролировать движение воздуха; особенно важно уплотнение щелей и зазоров. Как видно из рис. 2.55, окна отличаются по уровням тепловых потерь вследствие инфильтрации воздуха. При этом самыми гер­метичными являются стационарные, неоткрывающиеся окна. Не каждое окно в здании должно открываться, хотя открываю­щихся окон должно быть достаточно, чтобы обеспечить естест­венную вентиляцию и необходимое ощущение близости к внеш­ней среде. В закрытом положении открывающиеся окна должны проверяться на плотность не только, когда они устанавливаются в первый раз, но и после того, как их много раз закрывали и открывали. Откидные и верхнеподвесные окна являются наи­менее герметичными, в то время как створные окна имеют са­мую плотную пригонку.

/ — одна рама, одинарное остекление (наибольшие потери тепла); 2 — одна рама, стек­лопакет, 3 — рама с одинарным остеклением и второй рамой, 4 — рама со стеклопакетом и второй рамой (наименьшие потери тепла)

Примечание Относительные единицы теплопроводности н инфильтрации воз­духа необязательно одни и те же, а поэтому не должны складываться с целью сравне­ния общих относительных величин

Для существующих окон, которые невозможно заменить, ка­чественное уплотнение щелей (желательно с помощью долговеч­ных металлических накладок) обеспечивает существенное умень­шение воздухопроницаемости. Вторая рама, добавленная к су­ществующему окну, не только в два раза снижает потери тепла вследствие теплопроводности по сравнению с окнами с одинар­ным остеклением, но и в два раза уменьшает инфильтрацию воздуха. Двойная оконная рама (стандартное открывающееся окно с одинарным остеклением в сочетании со второй рамой) эффективнее, чем одинарная рама со стеклопакетом (рис. 2.56). Стандартное открывающееся окно со стеклопакетом в сочета­нии со второй рамой (тройное остекление) является наилучшим средством экономии энергии.

Исключительно важным для системы, использующей солнеч­ную энергию для отопления, является наличие контейнера для хранения тепла. Здание, представляя собой солнечный коллек­тор, нуждается в средствах аккумулирования тепла для того, чтобы предупредить возможный перегрев помещений при солнеч­ной погоде и сохранить определенное количество тепла для даль­нейшего использования в период отсутствия солнца.

Пожалуй, наиболее эффективным аккумулирующими контей­нерами являются составляющие здание стены, перекрытия, кры­ши и перегородки Как известно, все материалы, поглощая тепло, хранят его по мере нагрева. Если окружающая температура по­нижается, то накопленное тепло поступает в окружающую среду, а сами материалы охлаждаются.

Для здания это явление имеет особое значение. Тегйловая энергия солнечного излучения постоянно в течение дня проника­ет через степы, крышу и окна здания. Коротковолновое излуче­ние поглощается стенами, перекрытиями и находящимися в по­мещении предметами после того, как это излучение проникло через стекла Встречаясь с какой-либо преградой, поступающее излучение превращается в теплоту, большая часть которой по­глощается (рис 2 32) Если предметы и материалы внутри здания вследствие этого воздействия нагреваются выше окружа­ющей температуры, то они в свою очередь начинают выделять тепло, передавая его более холодным предметам и материалам в здании Воздух в помещении является одним из «материалов», который наиболее быстро нагревается и помогает передавать избыточное солнечное тепло на остальные материалы.

Однако если материалы здания уже прогрелись до температу­ры воздуха или не могут с прежней интенсивностью поглощать тепло, то воздух, продолжая нагреваться, в конечном счете пере­гревается, создавая дискомфорт для находящихся в помещении людей. Температура материалов в здании в свою очередь про­должает повышаться, т. е. происходит дальнейшее накопление теплоты. Чем больше теплоаккумулирующая способность пред­метов и материалов в здании, тем больше потребуется времени для нагрева воздуха до дискомфортного уровня.

После захода солнца в условиях холодной погоды здание может начать быстро терять тепло В следующей главе будет рассмотрен ряд способов уменьшения тепловых потерь зданий. Но даже если здание теряет очень мало тепла, то все равно это тепло должно возмещаться для поддержания комфортной тем­пературы. Для зданий, которые не аккумулируют солнечное теп­ло в течение дня, это возмещение тепла для обогрева должно обеспечиваться другими средствами, например дровяными или иными печами, калориферными обогревателями, за счет выделе­ния тепла освещением, машинами и людьми. Однако если здание содержит достаточное количество способного аккумулировать тепло материала и если солнечные лучи могут проникать внутрь здания и нагревать его в течение дня, то такое здание будет отап­ливаться солнцем даже после его захода Нагретые материалы будут терять свое накопленное тепло и передавать его внутрен­нему воздуху по мере его охлаждения В зависимости от количе­ства солнечного тепла, поступающего в здание, и накопленного

материалами уровня теплопо­терь здания (которые зависят от ряда таких факторов, как

Рис 2 32 Поступление солнечного тепла через окна

1— тепло от солнца 1000 кДж 2 — двойное остекление 3 — потери наружу 500 кДж 4 — поступило 800 кДж, 5 — зачерненный бетон или кирпич 6 — песок грунт или бетон 7 — жесткая конструкционная изоляция 8 — гидроизоляционный слои, 9 земля
вия многие часы, а возможно даже и дни без затрат дополни­тельного тепла от других источников.

Влияние изменения температуры наружного воздуха на тем­пературу воздуха внутри зданий разных типов показано на рис. 2.33, 2.34 и 2.35. Влияние, которое оказывает резкое снижение температуры наружного воздуха на температуру воздуха внутри зданий различных типов, показано на рис. 2.33. Следует отме­тить, что для легкого здания, например имеющего деревянный каркас, характерно сравнительно быстрое изменение температу­ры воздуха внутри помещения, даже если это здание хорошо изо­лировано. Тяжелое, массивное сооружение, построенное из бето­на, кирпича или камня и имеющее хорошую изоляцию, поддер­живает свою температуру в течение более длительного периода времени. Для уменьшения тепловых потерь изоляция в таком здании должна быть с внешней стороны, аккумулирующей тепло­вую энергию массивной стены (т. е. находиться между стеной и наружным воздухом). Массивные материалы, которые могут аккумулировать большое количество тепла, являются плохими изоляторами, и чтобы воспользоваться их теплоаккумулирующей способностью, они должны быть расположены в пределах тепло­вого барьера (изоляции), который отделяет внутреннюю часть здания от внешней среды.

Верхняя кривая рис. 2.33, соответствующая изменению темпе­ратуры внутреннего воздуха, относится к зданию, которое обла­дает не только большой теплоаккумулирующей способностью, но пристроено к склону холма или покрыто землей. Жесткая плитная изоляция, например из полистирола или уретана, поме­щается между бетонными или каменными стенами и слоем зем­ли. Одна или более стен могут быть открыты для внешних воз­действий, однако температура, как показано на рисунке, опуска­ется очень медленно и устанавливается на уровне, близком к температуре земли.

Летом вступают в силу противоположные условия. Если зда­ние затенено так, что внутрь здания проникает немного солне­чной энергии, то поступление тепла будет определяться главным образом теплопередачей через стены, крышу и окна, т. е. будет иметь место процесс, обратный процессу тепловых потерь. Ночью, когда наружный воздух прохладнее, чем днем, поступле­ние этого воздуха в здание либо за счет естественной циркуляции через проемы, например вентиляционные отверстия или окна, либо принудительно при помощи вентиляторов будет охлаждать воздух, а следовательно, и все материалы и предметы в здании. А так как в начале теплого дня они будут холодными, то до того, как нагреются, они в состоянии поглощать и хранить больше тепла, охлаждая воздух в помещении. Таким образом, если эти предметы охлаждены утром, то потребуется определен­ное время, прежде чем они нагреются до такой степени, что будет необходимо осуществлять кондиционирование воздуха.

20 —

Рис 2 34 Влияние повышения температуры наружного воздуха на тем­пературу воздуха внутри зданий разных типов при отсутствии дополни­тельного источника энергии для охлаждения помещений

/ — наружный воздух, 2 — воздух внутри легкого здания с деревянным каркасом 3 — воздух внутри массивного здания с наружной изоляцией, 4 — воздух внутри массив иого здания, заглубленного или частично покрытого грунтом

1 — наружный воздух, 2 — воздух внутри легкого здания с деревянным каркасом 3 — воздух внутри массивного здания с наружной изоляцией 4 — воздух внутри массивного здания заглубленного и частично покрытого грунтом

Влияние на тепловой режим тех же трех зданий резкого по­вышения температуры наружного воздуха показано на рис 2 34. И в этом случае легкое здание быстро реагирует на изменение наружной температуры, и, несмотря на хорошую изоляцию, его внутренняя температура сравнительно быстро повышается. С другой стороны, массивные здания за счет более высокой ак­кумулирующей способности реагируют на повышение темпера­туры в меньшей степени Здание, пристроенное к земляному от­косу или покрытое слоем земли, еще меньше реагирует на темпе­ратурные изменения наружного воздуха, а при правильном про­ектировании никогда не будет слишком нагреваться

На рис. 2 35 показано влияние повышения и понижения тем­пературы наружного воздуха В случае, если какие-либо допол нительные источники тепла, вроде печей и каминов, не использу­ются, температура воздуха в легких зданиях меняется в широких пределах, а в зданиях, изолированных землей, остается почти по­стоянной

Рациональное использование природных климатических уело вий в сочетании с массивностью здания уменьшает потребность в энергии В свою очередь, массивность здания способствует выравниванию нагрузки на отопительное и охлаждающее обо­рудование Если здание быстро не реагирует на изменения наружной температуры, то не требуется очень большой мощно­сти оборудования для обеспечения теплоснабжения для покры-

тия такой нагрузки, и оно может работать в более стабильном режиме Итак, одним крайним случаем является легкое, слабо­изолированное здание с деревянным каркасом. В прохладный солнечный день в таком здании печь можно не включать совсем Однако ночью может потребоваться, чтобы печь работала на полную мощность для поддержания комфортной температуры Другим крайним случаем является массивное, покрытое землей здание, в котором при переменной температуре наружного воз­духа может поддерживаться температура на среднем уровне на протяжении нескольких дней, а может быть в течение 10 дней или даже двух недель Для такого здания достаточно иметь сравнительно небольшую по мощности отопительную систему, которая будет работать в постоянном режиме, обеспечивая в помещении достигнет уровня комфортной

Для некоторых типов массивных зданий общее потребление энергии снижается Однако утром отопительная нагрузка мо­жет возрастать, если температура в помещении за ночь пони­зится Это объясняется тем, что масса здания должна быть про­грета до комнатной температуры прежде, чем температура в помещении достигнет уровня комфортной

Все материалы, как правило, имеют разную тсплоаккумули- рующую способность Способность материала удерживать теп­ло оценивается его удельной теплоемкостью, т е количеством тепла (в кДж), необходимым для повышения температуры од­ного килограмма материала на один градус Например, вода имеет удельную теплоемкость, равную 4,19 кДж/(кг-К) Это значит, например, что для повышения температуры 1 кг воды на 1° (К) требуется 4,19 кДж

Удельные теплоемкости различных материалов, применяе­мых при строительстве зданий, приведены в табл 3 К сожале­нию, лучший из приведенных строительных материалов — бе­тон, удельная теплоемкость которого составляет 1,1 кДж/ /(кг-К), удерживает лишь одну четвертую часть того количест­ва тепла, которое хранит вода того же веса Однако плотность бетона (кг/м3) значительно превышает плотность воды Во вто-

ром столбце таблицы приведены плотности этих материалов Умножив удельную теплоемкость на плотность материала, полу­чим теплоемкость на кубический метр Эти величины приведе­ны в третьем столбце Следует отметить, что вода, несмотря на то что обладает наименьшей плотностью из всех приведенных материалов, имеет теплоемкость на і м3 выше, чем для других материалов из-за ее сравнительно большой удельной теплоем­кости Низкая удельная теплоемкость бетона до некоторой сте­пени компенсируется его большой строительной массой Поэто­му бетон удерживает значительное количество тепла (1415,9 кДж/м3) по сравнению с водой (2328,8 кДж/м3)

К сожалению, строительство массивных зданий не соответ­ствует современной теории и практике проектирования Техно­логия и проектирование сейчас сосредоточены на попытках «сделать много, имея немногое», и строительным гением счи­тается тот, кто может использовать наименьшее количество материала в процессе ограждения пространства Такой образ мышления обычно ограничивается только оценкой применяемых материалов без учета расходуемой энергии или долговечности изделия Визуальное восприятие веса зданий для некоторых людей является важным эстетическим соображением, и сейчас существует тенденция проектировать и строить сооружения, кажущиеся легкими.

Увеличение массы может также увеличить стоимость зда­ния Авторитет монолитного бетона то растет, то падает у про­фессиональных строителей На их отношение к бетону влияют такие факторы, как его стоимость, наличие, возможности до­ставки, технология укладки, а также вес

Для массивных зданий требуется больше материалов, чем для легких Дополнительную энергию, необходимую для произ­водства большего количества материалов, трудно сопоставлять с энергией, сэкономленной на отоплении и охлаждении, однако массивные здания, как правило, имеют длительный срок служ­бы, и в большинстве случаев они более надежны, чем легкие (Заслуживающими внимания исключениями являются деревян­ные дома, стоящие несколько сот лет Примерами массивных зданий с длительным сроком службы являются греческие и римские храмы, а также западноевропейские соборы )

Задача увеличения тепловой массы не должна представ­ляться слишком сложной Одним из решений здесь может быть установка емкостей с водой внутри здания (лучше всего перед освещенным солнцем окном). Однако, вряд ли этот способ при­дется по вкусу многим людям Песок, гравий, бетон или вода (в пластиковых емкостях) могут использоваться для заполне­ния пустот в кладке из бетонных блоков (рис 2 36) Массивные камины, внутренние бетонные или кирпичные перегородки и даже 50- или 75-мм слой бетона или кирпича на полу могут су­щественно увеличить тепловую инерцию здания

рис 2 36 Конструкция стены для уве­личения тепловой массы (идея Гарольда Хэя из фирмы «Скайтерм проусессиз энд инджинииринг»)

/ — бетонные блоки, 2 — трубки, заполненные водой, пустоты в бетонных блоках могут быть заполнены песком или пластвиниловыми труб ками с водой

В университете шт. Делавэр д-р Мариа Телкес проводит испытания фазопереходных со­лей, которые применяются для увеличения тепловой инерции По мере нагрева соли плавятся при температуре около 24° С, накапливая большое количество тепла Они высвобождают это тепло Хотя такие соли находятся в стадии

мому, в скором времени можно будет использовать в составе ограждающих конструкций зданий или внутренних перегородок, полов и потолков Наилучшим местом для размещения таких солей является южная часть здания, которая больше всего на­гревается при солнечной погоде.

Устройство изоляции с наружной стороны здания требует творческого решения конструктив 1ЫХ проблем, которые не часто решались удачно Изоляция обычно помещалась внутри стены (между наружной и внутренней поверхностями) или внутри здания (рис 2 37). Наиболее трудной задачей при устройстве изоляции с наружной стороны бетонного или кирпичного здания является защита изоляции от влаги, дождя, солнечного воздей­ствия, контакта с людьми и животными На рис 2 38 показана схема применения изоляции в виде жестких плит из полистиро­ла толщиной 75 мм, покрывающих наружную поверхность мо­нолитной бетонной стены Большая часть этой изоляции покры­та землей, однако та часть изоляции, которая покрывает бетон над поверхностью земли, должна быть защищена от возможных повреждений, в том числе и от воздействия солнечной радиации (особенно ультрафиолетовых лучей). Ниже уровня земли изо­ляция должна быть защищена от влаги, насекомых и грызунов Стирол можно укладывать в опалубку до заливки в нее бетон­ной смеси При этом между двумя материалами достигается очень хорошее сцепление Однако защита изоляции над уровнем земли требует дополнительных затрат Один из вариантов такой защиты заключается в нанесении на изоляцию «цементирующе­го* материала (типа раствора на основе стекловолокна) Дру­гой способ состоит в креплении жесткого листового материала, например влагостойкой фанеры или асбестоцементных плит.

Рис 2 38 Деталь конструкции с почти сплошной наружной защитой изоляции / — внутренняя отделка, 2 — наружный отде­лочный слой (тонкие доски), 3 — стекловолок­нистая изоляция, 4~ пол, 5 —бетонная стена, б —жесткая плитная изоляция, 7 —защитное покрытие _

К сожалению, использование массы здания в качестве сред­ства снижения общего потребления энергии не учитывается и не используется при проектировании в той же степени, как изо­ляция и двойное остекленение. Эта тема подробно рассматри­вается Виктором Олгиэем в книге «Проектирование с учетом климата» и Барухом Дживони в книге «Человек, климат и ар­хитектура». Другие факторы, уменьшающие потребление энер­гии, рассматриваются в следующем разделе.