В обзоре [53] работы Шерклиффа [9] имеется за­мечание о том, что множество описанных проектов по-^ нравится читателю и совершенно смутит того, кто[4] серьезно занят поисками оптимальной системы. Одна из трудностей, возникающих при попытке провести лю| бой анализ, состоит в том, что даже в домах с тради-1 ционной системой отопления затраты на отопление в одном и том же районе в почти одинаковых домах для, казалось бы, очень похожих семей будут изменяться в широких пределах. Было сделано предположение, кото! рое представляется разумным, что все солнечные до-1 ма, включенные в анализ, заселены совсем одинаков выми семьями, которые будут стараться получить оті использования солнечной энергии все, что может обес-| печить их конкретная система. Вторая трудность воз-ч никает при попытке определить, что понимается иоД; 108

«коэффициентом замещения» *. В тех случаях, когда имеются сведения о том, как ведут себя обитатели сол­нечного дома, например дома Мэтью [18], выясняет­ся, что в основном их вполне удовлетворяет более низ­кая температура в помещении, чем та, которую можно было бы обеспечить за счет традиционного отопления. Это сильно затрудняет точное определение реальной потребности в тепле при традиционном отоплении.

Основными факторами, которые должны быть при­няты во внимание при анализе, являются следующие: отношение площади коллектора к площади пола; положение, угол наклона и тип солнечного коллек­тора;

отношение объема аккумулятора к площади пола; тип аккумулирующей системы; географическое местоположение здания; общие изоляционные характеристики; высота отапливаемых комнат.

Далее можно принять некоторые допущения. В ка­честве аккумулирующей системы можно рассматри­вать эквивалентный объем воды. Изменениями харак­теристик изоляции и высоты отапливаемых комнат

следует пренебречь, поскольку отсутствует необходи­мая информация по этим параметрам. Это означает, что для любой конкретной широты могут быть постро­ены серии кривых, показывающих зависимость «коэф­фициента замещения» от отношения объема аккумуля­тора (Ка) к площади пола (5П) при различных значе­ниях отношения площади коллектора к площади пола.

/ — дом в Туксоне; 2—бунгало «Блисс-Хауз»; 3 —дом Хея; 4 — дом Томасо-
на I; 5 —дом Томасона III; 6 — дом Лёфа в Колорадо. В скобках указано
отношение площади коллектора к площади пола.

Такое представление положено в основу анализа. Глав­ные характерные случаи показаны на рис. 4.20, где приведено несколько кривых, построенных для районов южнее 40° с. ш. Первые солнечные дома имели, как правило, не очень хорошую изоляцию и менее эффек­тивные, чем в настоящее время, системы солнечных кол­лекторов, так что самая нижняя кривая на рис. 4.20, построенная ^ля отношения площади коллектора к площади пола’ равного 0,6, представляет собой харак­теристики, достигнутые в 50-е годы. Усовершенствование изоляции и коллекторных систем привело согласно расчетам к значительному изменению характеристик. Как это видно из двух верхних кривых, главная тен­денция состоит в том, что относительно меньшие кол­лекторные и аккумулирующие системы могут обеспе­чить более высокое значение коэффициента замеще­ния. Рассмотрим конкретный случай, когда характерис­тика первоначально представлена точкой А. В настоя­щее время значение коэффициента замещения, равное 110

100%, можно получить при несколько меньшем отно­шении площади коллектора к площади пола, опреде­ляемом точкой В. Если требуется тот же уровень коэф­фициента замещения, то его можно обеспечить при уменьшении площади коллектора и объема аккумуля­тора вдвое, что соответствует точке С.

На рис. 4.21 показаны действительные и расчетные точки характеристик различных солнечных зданий, рас­положенных южнее 40° с. ш. Из представленных дан­ных видно, что если отношение объема аккумулятора к площади коллектора больше 100, вполне возможно на 100% обеспечить отопительную нагрузку за счет солнечного отопления, и что очень высокие значения коэффициента замещения (90%) получаются по рас­четам при достаточно низких значениях отношения объ­ема аккумулятора и площади коллектора к площади пола.

Из сравнения рис. 4.21 с рис. 4.22, на котором на­несены точки, относящиеся к районам севернее 40°с. ш.,

сразу же видно, что доля отопительной нагрузки, кото­рую можно обеспечить за счет солнечного отопления, во втором случае меньше. Выделяется только солнеч­ный дом Мэтью, отличающийся очень большим объе­мом аккумулятора при сравнительно малом отноше­нии площади коллектора к площади пола (0,44). Рас­четное значение коэффициента замещения для дома в Милтон-Кейнсе, равное 60%, выглядит вполне правдо­подобным для того отношения объема аккумулятора к площади пола, которое имеет этот дом. При рассмот­рении расчетных характеристик систем с улучшенной изоляцией и более эффективными коллекторами, при­веденными на рис. 4.21 и 4.22, отчетливо прослежива­ются те же тенденции, которые присущи кривым «а рис. 4.20.

Очевидно, что использование солнечного отопления, зданий приводит к экономии энергии. Правительство всегда оказывает влияние на размеры капиталовложе­ний в солнечные энергетические системы, поскольку цены на топливо повышаются или понижаются, но ес­ли принять, что с социальной точки зрения желатель­но иметь здания, отопления которых хотя бы частично обеспечивается — за счет. солнечной энергии, то прави­тельство обязано видеть, что это привлекательно и с экономической точки зрения.

Некоторую долю отопительной нагрузки можно обес­печить просто за счет установки на существующем не — остекленном чердаке вентиляционной системы, управля­емой с помощью дифференциального терморегулятора. В более сложных системах используют особенности традиционной наклонной крыши. При этом заменяют значительную площадь обращенной к югу кровли осте­клением, обеспечивая, таким образом, проникновение радиации внутрь чердачного помещения. Недавно по-

явились две большие системы, в которых используется этот принцип. В одной из них тепло из чердачного по­мещения передается с помощью теплового насоса непо­средственно в остальную часть дома, в другой применя­ется недорогая отражающая оптическая система.

Система с тепловым насосом. В солнечном доме, разработанном совместно Университетом штата Небрас­ки (г. Линкольн) и компанией «Линкольн Электрик Си­стем» [51], тепло от обращенной к югу застекленной крыши направляется внутрь чердачного помещения, в

котором нагретый воздух за счет естественной цирку­ляции поднимается к коньку крыши. Стандартный ус­танавливаемый вне помещения тепловой насос, разме­щенный вблизи конька, снабжен регуляторами, кото­рые позволяют извлекать тепло либо из наружного воздуха, либо из воздуха внутри чердачного помеще­ния. Это тепло переносится к водяному баку-аккуму­лятору, в котором поддерживается температура не ни­же 40°С, причем при необходимости используется до — „ полнительное тепло. По вертикальному воздуховоду воздух с чердака может подаваться непосредственно в дом и нагревать его. Когда тепловой насос извлекает энергию из воздуха, заполняющего чердачное помеще­ние, температура в этом помещении поддерживается приблизительно на уровне 10°С, таким образом дости­гается высокая эффективность собирания солнечной энергии без применения дорогостоящего двойного ос­текления. Аккумулированная горячая вода прокачи­вается сквозь обдуваемый вентилятором змеевик, вы­полняющий роль обычного радиатора воздушной ото — 106

пительной системы. Для охлаждения в летний период тепловой насос переключается и накапливает холод­ную воду при температуре около 5°С. Использование обычного имеющегося в продаже оборудования и ма­териалов является составной частью проекта, цель ко­торого состоит в демонстрации экономической жизне­способности разработки в типичных климатических ус­ловиях американского среднего запада, где в зимний период прямая радиация составляет примерно 60% всей радиации. Одна из экономических особенностей, обнаруженных при анализе, состоит в том, что отно­сительно высокое потребление электроэнергии в про­цессе собирания солнечной энергии компенсируется бо­лее низкими сравнительно с существующими система­ми с плоскими коллекторами капитальными затрата­ми на систему. Исследования этой системы, основан­ные на 800 ч работы, показали, что отопительный ко­эффициент теплового насоса должен составлять 2,72 вместо полученного для типичной стандартной систе­мы, установленной в Линкольне, значения 1,7.

Отражающая оптическая система. В одной из опи­санных систем используются только плоские отража­тели большой площади, отражающие приходящую ра­диацию на плоский коллектор, «площадь которого со­ставляет обычно около Vs площади отражателя. На рис. 4.18 показаны основные элементы пирамидаль­ной оптической системы [52].

Система состоит из неподвижных плоских отража­ющих поверхностей, которые образуют две грани пи­рамиды, и подвижной отражающей поверхности, кото­рая юстируется в соответствии с периодическими из­менениями траектории солнца — обычно сезонно. Осо­бо отмечается, что система обеспечивает степень оп­тической концентрации в пределах от 1,6 до 4,8 и по­зволяет получать высокие температуры в обычных плоских коллекторах, что является существенным для применения ее в абсорбционных охлаждающих уста­новках. Возможны различные варианты подвижного отражателя, включая систему, размещаемую снаружи, которая была использована в опытной, установке в Стэнфорде (штат Коннектикут).

Главным преимуществом использования системы с полностью застекленной крышей является то, что, при­меняя обычные конструктивные и технические приемы,

можно придать дому достаточно привлекательный внеш­ний вид, например солнечный коллектор на чердаке может служить обыкновенным окном для спальни, как это показано на рис. 4.19.

1 Стремление полностью обеспечить отопительную на­грузку любого здания приводит к необходимости иметь значительную площадь поверхности солнечного коллек­тора. Было сделано несколько различных попыток от­казаться от использования обычных плоских коллекто­ров. В следующих разделах описаны системы, которые исследовались в США в 1976 г.

Неподвижный отражатель со следящей теплоприем­ной системой (НОСТ)- Основной коллектор, который подробно описан в гл. 3, состоит из сегмента сферичес­кого зеркала, установленного неподвижно и обращен­ного к солнцу. Линейный теплоприемник следит за тра-

екторией солнца путем простого вращательного движе­ния около центра кривизны отражателя [45]. На рис. 4.17 показано, как установка НОСТ может повли­ять на конструкцию дома в районах с значительным приходом солнечной радиации в зимний период. Отли­чительной особенностью системы является то, что вода может быть нагрета до высокой температуры, достаточ­ной для производства электроэнергии, и, следовательно, появляется возможность создания самообеспечиваю­щихся систем без использования энергии ветра или прямого преобразования солнечной энергии в электри­ческую. Подробные сообщения о ікаком-либо примене­нии таких коллекторов отсутствуют, одцако недавно в Колорадо был спроектирован и построен дом, включаю­щий НОСТ.

В Великобритании дома с НОСТ едва ли получат распространение в связи с высокой долей диффузной составляющей и низким общим уровнем радиации в пе­риод зимнего солнцестояния, хотя в районах Средизем­номорья имеются все возможности для их успешной эксплуатации.

Пассивная система с водоемом на крыше (дом Хея).

С давних пор на крышах зданий устраивались водоемы для охлаждения, но только в 1967 г. Хей разработал систему, в которой для создания водовцма на крыше ис­пользовались черные поливинилхлоридные мешки, за­полненные водой [46—49]. В прототипе эксперимен­тального здания, построенного в Фениксе, слой воды глубиной около 180 мм являлся одновременно тепловым коллектором и аккумулирующей средой. Мешки разме­щались на плоской металлической крыше, которая так­же выполняла две функции — теплообменника и потол­ка здания. Ночью для предотвращения потерь тепла над мешками устанавливались изолированные панели В летний период процедура была обратной, так что за счет излучения в ночное небо водоем к утру охлаждал­ся, а затем изолировался пан, елями, и таким образо) обеспечивалось естественное охлаждение здания в тс чение дня.

Впоследствии система была проверена в рамка11 большой двухгодичной программы испытаний, выпол­ненной Калифорнийским политехническим университс том на однрэтажном доме в Атаскадеро (штат Калифор ния). Жилая площадь дома (около 106 м2) была н,#’ 104

колько больше, чем площадь водоема на крыше. Перед­вижные панели приводились в действие электрическим приводом, управляемым вручную или с помощью диф­ференциального терморегулятора. В сообщении об ис­пытании здания [50] говорилось, что тепловой режим дома был очень хорошим. Во время испытательного периода нагрузка на отопление и охлаждение здания обеспечивалась на 100%. В течение этого времени сис­тема была способна поддерживать температуру внутри дома в пределах от 19 до 23,3°С за исключением перио­дов специальных испытаний. Даже в течение этих экст­ремальных условий температура никогда не была выше 2б°С или ниже 17°С.

В июле испытания проводились при температуре до 38°С, а самая низкая температура — 3°С была зарегист­рирована в феврале 1974 г., когда среднее за месяц значение дневной температуры наружного воздуха со­ставляло 8,3°С. Благодаря использованию пластмассо­вого покрытия, которое можно было натягивать и спус­кать, система могла работать как с однослойной про­зрачной изоляцией, так и без нее. В летний период бы­ло необходимо спускать покрытие, чтобы температура в жилых помещениях не поднималась выше 27°С.

Хэггард [49] считает, что информацию, полученную при выполнении этой программы, можно использовать при исследовании архитектурных усовершенствований системы, которые позволят применять ее в других кли­матических условиях и для других обогреваемых объ­емов. Сюда относятся разработки конструкций много­этажных зданий с изоляцией, передвигающейся по па­зам на обращенных к югу стенах, и складными изоля­ционными пацелями на плоских крышах.