Аккумуляция солнечной энергии в конструкциях теплиц и жилых помещений

` Из пустотелых плит можно сооружать стену между теплицей и квартирой или пол теплицы непосредственно на теплоизолирующей поверхности, а также в квартире, где используются, например, плиты, уже имеюшие теплоизоляцию с нижней стороны. Кроме того, промежуточное и верхнее основания пола в каменных зданиях также можно выполнить из пустотелых бетонных плит.

Одно из таких конструктивных решений реализовано в университете Шеффилда (Англия) для экспериментального дома ЗНЕО (5о|аг Неае4 Вхрег/теп- {21 ОмеШше). В этом доме, отапливаемом с помощью солнечной энергии, имеется теплица, занимающая всю южную стену одноэтажного дома. Как только температура воздуха в теплице поднимается выше, чем это требуется для роста растений, воздух оттуда с помощью вентиляторов передается в теплоаккумуляторыМощность вентиляторов, оборудованных тиристорными регуляторами, составляет 2.30 Вт. В качестве теплоаккумуляторов используют бутыли, кирпичи и небольшие камни. От них тепло переходит в жилые комнаты путем излучения и естественной конвекции. На’ основании испытаний были посистема функционирует наиболее эффективно, если она оборудована вентиляторами и теплоаккумуляторами; | в системе, оборудованной вентиляторами и теплоаккумуляторами, экономия энергии составила 78%, а в аналогичном решении без перечисленного оборудования она была равна 49 % (эти цифры даны в сравнении с обычным жилым домом);

дополнительные расходы на строительство теплицы, приобретение и монтаж вентиляторов и оборудование теплоаккумуляторов окупаются полностью за девять лет эксплуатации дома;

единственным недостатком данного способа является небольшой уровень шума, создаваемого работой вентиляторов.

Определение расхода теплоты и выбор размеров теплоаккумулятора. «Правило большого пальцаз. При проектировании мест размещения теплоаккумулирующих масс и при оценке потребности создания запасов теплоты можно пользоваться методикой, предус-

$. в д 1 \. о, к. | Ё - `.. 6, Г Ц /“ ` ее 9“ А $7 м Рль 1 и. 7—- ДАХ и НАЗ. чу 1 | т ы ы ы т. 1-й сол- # 2-й облачСЕРЫЕ НОЦ ЕР нежный: ный’ день Е. Нены: В { Е = < ы >

. Колебания температуры воздуха в теплице при изменерис ом теплоемкости: для 80 л воды/м? прозрачного то крытия (а), 100 л воды/м? прозрачного покрытия (6) и л воды/м? прозрачного покрытия (в) матривающей применение «правила большого пальца». По существу эта методика довольно груба, однако она удобна и не позволяет совершать больших ошибок. Окончательную проверку проекта можно осуществлять поеле этого с помощью модели «а» (автоматической обработки информации) или путем использования опыта, полученного ранее, например в отношении выбора размеров и способа теплопередачи в теплоакку- “У Вопросы аккумулирования солнечного излучения в соответствии с «правилом большого пальца» были рассмотрены ранее (см. гл. 4). Размеры требуемой теплоаккумулирующей массы можно определить путем вычисления ее удельной теплоемкости для данной теплицы. Это покажет, сколько литров воды или другой теплоаккумулирующей массы (в пересчете на воду) приходится на 1 м? площади поверхности прозрачного покрытия. Считается, то световые лучи беспрео проникают в теплицу.

Я Сравнение различных решений позволило выявить зависимости, на основании которых установлено, что для условий Финляндии оптимальны следующие объемы первичной аккумулирующей массы в расчете на 1 м2 прозрачного покрытия: 0,1—0,2 м? воды, 0,3— 0,5 мз кирпичей и 0,6—1,2 мз камней.

Особенности теплоаккумулирующих масс и расчетные модели

Количество теплоаккумулирующей массы ничего не говорит о форме самого теплоаккумулятора, а также о размерах единичного аккумулятора. Совсем не одно и то же, например, разместят ли 1000 л воды в пяти бочках объемом по 200 л каждая или в 2 тыс. банок объемом по 0,5 л каждая. Использование одного и того же объема воды привело бы к совершенно различным результатам!

Рис. 66. Использование программы ЗРТЕТ, для исследования экспериментального дома ЗНЕР в Шеффилде.

Определение расхода теплоты по модели «ак». Если известны характеристики здания и местные климатические условия, например температура, солнечное излучение, затененность и т. д., то можно начинать замеры в соответствии с планом строительства.

При необходимости получить точные сведения о тепловом режиме теплицы и квартиры эксперименты надо проводить с небольшими интервалами времени (как правило, 1 ч). Через каждый час в течение всего года следует определять:

• углы падения и интенсивность солнечных лучей;
• наружную температуру;
• поверхность, на которую падает солнечное излучение;
• количество вырабатываемой теплоты;
• направления передачи этой теплоты;
• температуру, полученную в разных местах и т. д.

Совершенно ясно, что этот процесс будет настолько трудоемким, что помощь модели «ак» становится просто необходимой.

В различных странах разработаны программы для модели «а», например программа ВК!$, или изложенная ниже расчетная программа ЭРТЕТ, которая весьма удобна из-за своей наглядности. Ниже будет показано также применение программы 5РТЕТ, для исследования экспериментального дома ЗНЕО.

Сеточный метод и аккумулирование энергии

Сеточный метод. Этот метод представляет собой весьма эффективный и простой способ выполнения необходимых расчетов по циркуляции теплоты. Он основан на том, что равновесие температур соответствует равновесному состоянию тока в электрической цепи. Внешние погодные условия (главным образом количество солнечной энергии и температура) изменяются непрерывно.

С помощью специальных электронных устройств получают изображения стен, потолка и теплоаккумулирующей массы, а также так называемые сточные точки, представляющие собой места измерения температуры. Когда мы имеем данные о характеристиках здания, а также в какой-то мере информацию о погодных условиях, то можно приступить к эксперименту.

Существуют два способа проведения измерений:

1. Построить электронную модель — цепь, на которой потом проводят эксперимент.
2. Задать программу в цифровой форме для малогабаритной ЭВМ или многофункционального вычислительного устройства и произвести вычисления.

В обоих случаях результаты получают в виде температур, измеренных через каждый час в контрольных точках. Если они не будут удовлетворительными, то экспериментаторам придется изменить проект, прибавляя или отнимая соответствующие величины. Принципы этого метода используют в программе ЭРТЕГ, которая допускает использование малогабаритной ЭВМ или многофункционального вычислительного устройства.

Создание запасов аккумулированной тепловой энергии. Наиболее существенными факторами, обусловливающими теплопотери теплицы, являются следующие:

большие потребности в воздухообмене вследствие использования большой площади стеклянного покрытия, эффективно накапливающего солнечную энергию.

Оптимизация теплобаланса и вентиляции теплиц

Проблемы частично связаны одна с другой, поэтому желательно найти способы их одновременного решения. Теплобаланс направленных на юг двухслойных окон в отопительный сезон для губернии ЭтеляСуоми (Южная Финляндия) является отрицательным. Это означает, что количество солнечной лучистой энергии, поступающей через окна, будет больше, чем количество тепла, выходящего через них наружу.

Если бы конструкция теплицы была герметичной и избыточное тепло можно было полностью собирать в запас, то теплица оставалась бы теплой в течение всего периода роста растений, начиная с середины марта и вплоть до последних чисел октября. На практике это все же невозможно, поскольку, во-первых, нельзя добиться полной герметичности конструкций теплицы и, во-вторых, воздух необходимо менять, чтобы обеспечить получение растениями двуокиси углерода, а для снижения влажности теплицу приходится проветривать (см. гл. 7).

Методы снижения теплопотерь в теплице

Уменьшение площади поверхности прозрачного покрытия. Поскольку прозрачное покрытие по своим теплоизоляционным характеристикам является наиболее слабым элементом ограждения теплицы, площадь его поверхности стремятся уменышить там, где это менее важно в отношении прохождения солнечного света. Это нетрудно сделать, так как теплицу возводят всегда как пристройку к жилому дому или другому зданию, например к хлеву, поэтому теплица оказывается защищенной и получает какое-то количество тепла от этой постройки.

Заглубляя часть теплицы в жилой дом или выполняя одну или обе торцовые стены в виде сплошных теплоизоляционных стен, можно обеспечить с двух или даже с трех сторон почти полную защиту. Вследствие этого значительно снижаются теплопотери. Крышу в зависимости от формы и прежде всего глубины теплицы также можно сделать частично или полностью закрытой. В процессе проектирования глухих и прозрачных частей здания весьма важно помнить о факторах, обеспечивающих поступление достаточного количества солнечного света в теплицу (см. гл. 4), а также ее достаточную освещенность (см. гл. 7).

888 8 #8 [31813 2Рост |: Рост [‚1 - Г растений _. 0 их

Рис. 67. Теплобаланс окна, ориентированного на юг, в Хельсинки в период отопительного сезона

Повышение теплоизолирующей способности прозрачного покрытия. Теплоизолирующую способность прозрачного покрытия теплицы можно повысить двумя способами:

• усовершенствовать конструкцию окон с тем, чтобы улучшить теплоизолирующую способность и герметичность наличников, рам и особенно оконных стекол;
• закрывать окна на ночь теплоизолирующими материалами.

Улучшение изоляции окон. Для изготовления прозрачного ограждения теплид можно использовать сте-.

Выбор конструктивных решений остекления теплиц

Стекло или пластмассу (см. п. 6.1.5) при строительстве рекомендуется применять в виде двойных покрытий, теплоизолирующая способность которых значительно выше традиционных конструкций с одним стеклом. Правда, такие изделия, относящиеся к типу теплоизолирующих стекол, отличаются высокой стоимостью, и скорее всего по этой причине в некоторых местах приходится использовать ограждения с одним слоем стекла.

Накопленный опыт свидетельствует о том, что герметическая оконная конструкция с одним слоем стекла дает меньше теплопотерь, чем неплотная конструкция с двумя слоями стекол. Однако основная проблема оконной конструкции с одним стеклом связана не с теплопотерями, а с влиянием конденсации водяных паров на внутренней поверхности, в результате чего окно становится непрозрачным, возникают нагрузки, особенно на нижние части деревянных рам, а зимой наблюдается оледенение окна.

Если теплица занимает всю южную наружную стену здания, то заледеневшие окна теплицы придают ему довольно неприглядный вид. Оледенение окон может происходить и в окнах с двумя слоями стекол, однако это встречается значительно реже и, как правило, льдом покрывается только часть окна.

Применение подвижных теплоизолирующих средств

С помощью подвижных теплоизолирующих средств можно существенно улучшить теплоизолирующие свойства окон. В качестве таких средств можно использовать теплоизолирующие шторки, занавески, ставни или шарики из полиэфирной пластмассы. Эти средства применяют для конструкции стены между квартирой и теплицей, когда необходимо улучшить тепловой режим в жилой комнате, или же в окнах теплицы с внутренней или наружной стороны, либо в промежутке между стеклами, когда надо обеспечить выигрыш в тепловом балансе непосредственно для теплицы.

Подвижные теплоизолирующие средства можно реализовать тремя путями:

• в виде жестких ставень и дверей;
• в виде свободно перемещающихся шторок, войлочных покрывал, занавесок, роликовых перекрытий;
• в виде шариков из пенопласта или подобных материалов.

Рис. 68. Схемы теплиц с однои двухслойным остеклением

Жесткие ставни и двери лучше всего подходят для относительно небольших проемов. Наиболее удобно открывать их по принципу скольжения, поскольку в этом случае для них требуется мало места и они меньше всего видны. Герметичность таких конструкций является критерием функциональности, в противном случае их теплоизолирующая способность не будет использована. Внешние ставни, как правило, неудобны, так как они сложны в эксплуатации из-за климатических условий в Финляндии.

Рис. 69. Жесткие регулируемые теплоизолирующие устройства а — принцип складывающейся конструкции; б — принцип жалюзийной конструкции

Уступают по теплоизолирующей способности, но более удобны гибкие конструктивные средства типа покрывал, жалюзи, планочных штор или откатных экранов. Они функционируют в качестве дополнительного теплоизолирующего материала и, кроме того, создают тень. Если обеспечить герметичность этих средств, особенно снизу и по сторонам, и осуществить стыки внахлест, то их теплоизолирующее действие будет соответствовать применению окна с дополнительным слоем стекла.

Указанные покрытия можно оборудовать также с наружной стороны теплицы, и в этом случае их эксплуатация в климатических условиях Финляндии будет затруднительной. Авторы рекомендуют использовать внутренние конструктивные решения вследствие простоты их использования, несмотря на то что с помощью внешних конструктивных теплоизолирующих решений можно добиться более высоких результатов по теплоизоляции.

В США на рынки сбыта поступила система, в которой в качестве теплоизолирующего материала используют полиуретановые (стироксовые} шарикн. Эти шарики с помощью воздуха подаются в промежуток между двумя стеклами, которые вставлены в. оконные. рамы в стене, на ночь или в-облачную холодную погоду. Система полностью автоматизирована, и потребитель сам может решить, когда теплоизоляция важнее, чем солнечный свет, для теплицы и всей квартиры. При применении данного решения теплоизолирующая способность стены с окном несколько улучшается. Недостатком рассмотренной системы является ее высокая стоимость.

Теплоизоляция цокольной части теплицы. Теплопотери через пол теплицы оказались намного меньшими, чем через внешнее ограждение. Это обусловлено тем, что температура грунта выше, чем температура наружного воздуха. Например, в Южной Финляндин на глубине 2 м температура грунта в январе равна --4°С. Температура грунта под.теплицей еще выше, и если выполнить тщательную теплоизоляцию нокольной части, то грунт под теплицей начинает выполнять функции долговременного теплоаккумулятора.

Данное решение имеет как преимущества, так и недостаток. Способность теплицы аккумулировать теплоту возрастает, однако теплота, передаваясь грунту под теплицей, возвращается от него весьма медленно. Рассматривая ежесуточные колебания температуры, когда теплоаккумулирующая масса пола изолирована от грунта, можно в период отопительного сезона для условий Финляндии найти более благоприятное решение. В этом случае толщина слоя такой массы должна быть в пределах 20 см для бетона в тех местах, куда попадают солнечные лучи в течение наибольшей части светового дня. Изоляцию, например листом стирокса толщиной 10 см, размещают на уплотненном песке, который в то же время будет служить основанием для размещения теплоаккумулирующей массы.

В обоих случаях необходимыми предпосылками являются все же хорошая теплоизоляция цокольной части теплицы и проведение противомерзлотных мероприятий при создании неглубоких фундаментов.

о, Уменьшение охлаждающего воздействия ветра. Ветер оказывает сильное охлаждающее действие на теплицу, поскольку он создает разности давлений, которые увеличивают теплопотери, а также интенсифицирует теплопередачу от ограждения теплиц путем конвекции, у

— о ‚22 тии 2 г Рис. 78. Воздействие ветра в

45): 14 ра “ х.з я 9%. р. во г ы В 3 ъх, ние ран |_ лище га 6 УНУНИХ Х ХЕХ ПымМУм 0 < - 4] о! МХ 2 А. № Ч ьа. 4 № Х [4 С 6 Ах Г --я

Рис. 70. Различные виды теплоизолирующих устройств; монтаж с внутренней стороны Рис. 71. Система теплоизоляции со стироксовыми шариками, которые подаются сжатым воздухом из хранилища Рис. 72. Распределение температур а — под теплицей (исследовавия канадского специалиста); 6— в поверхностных слоях грунта в Южной Финляндии

Защита теплиц от воздействия ветра

Охлаждающее воздействие ветра зависит от его скорости. Чем больше скорость ветра, тем больше будут разность давлений и теплоперенос с поверхностей зданий, что особенно заметно для стеклянного покрытия.

Поэтому теплицу необходимо защищать от ветра. С северной стороны, откуда дуют наиболее холодные ветры, теплица защищена жилым домом.

Для защиты от ветров других направлений можно использовать:

• посадки деревьев;
• низкие конструкции (изгороди, решетчатые навесы — перголы), задерживающие ветер.

При этом необходимо, чтобы они не препятствовали прохождению солнечного света в теплицу.