Эффективное аккумулирование солнечной энергии в конструкциях современных теплиц

В длинной, обращенной на юг теплице равномерное освещение не столь важно, как в небольшой теплице, где предназначенная для:выращивания растений площадь мала и надо использовать ‘каждый уголок. В глубоких: теплицах важно проверить, насколько интенсивно проникают солнечные лучи, для узких теплиц.это не етоль. существенно о |

Если в теплице используется какая-либо масса ‘для ‘накапливания солнечной энергии (водоемы, `камни, мешки с. солью и т..д.), то обязательное условие «полезной ‘работы» таких масс заключается в ‚том; чтобы-в теплицу попало солнечное излучение, особенно в холодное время года, с 9 до 15-ч. Все это можно учесть при проектировании, если пользоваться солнечными картами..

Гис. 50. Влияние покрытия теплицы на поступление солнечного

Рис. 51. Некоторые экономичные формы теплиц

5. аккумулирование тепловой энергии

Обычная оранжерея или теплица при большой поверхности застекленного ограждения плохо аккумулирует солнечную энергию, прежде всего из-за неудовлетворительных характеристик ее теплоизоляции и герметизации. Для поддержания температуры, необходимой для роста растений, требуется дополнительная энергия на отопление. Например, обычная оранжерея или теплица, функционирующая круглый год, расходует примерно в 10 раз больше энергии, чем небольшой индивидуальный дом.

Теплица, заглубленная в жилую квартиру, имеет естественную защиту с одной, а нередко и с трех сторон. Теплопотери в жилых помещениях частично используются теплицей. При рациональном строительстве в качестве теплоаккумулятора может использоваться масса, которая содержится в конструкции наружной стены жилого здания. В теплице имеются благоприятные возможности для аккумулирования и создания запасов тепловой энергии, что весьма важно в условиях сурового северного климата Финляндии.

Влияние увеличения теплоаккумулирующей массы. Влияние теплоаккумулирующей массы на тем-

‚пературу воздуха в теплине и на утилизацию. солнечной энергии можно Легко выявить путем сравнения двух теплиц. В одной из этих теплиц не имеется теплоаккумулирующей массы, во вто- `рой теплице теплоаккумулирующая способность увеличена в результате возведения задней стенки теплицы из кирпича или бетона. В теплице, не имеющей теплоаккумулирующей массы, наблюдается сильное колебание температуры воздуха днем и ночью. При этом максимальная температура примерно в 15ч, а самая низкая — ранним утром, перед восходом солнца. При размещении теплоаккумулирующей массы в теплице разность между дневной и ночной температурами воздуха значительно уменьшается — ночная температура повышается, а дневная снижается. В ночное время теплоаккумулирующая масса отдает теплоту, накопленную днем, а днем:она служит охладителем, т, е. поглощает теплоту. Эту тенлоаккумулирующую массу лучше было бы назвать теплокомпенсатором. В теплице, имеющей такую. массу, время достижения максимальной температуры сместилось на 2—3 ч. Более равномерное распределение температуры в теплице. в разное время суток существенно улуч-

‚шает условия для роста растений, а также увеличи-; вает ее экеплуатационные возможности, -.

Размещение теплокомпенсатора в теплице. и квартире. Солнечное излучение проникает сквозь прозрачное покрытие теплицы и попадает на стены и пол, а при направленном излучении — на потолок. Главным. образом от цвета этих поверхностей зависит, какая доля поступающей солнечной энергии поглощается и какая — отражается. Темные поверхности хорошо поглощают коротковолновое излучение и мало отражают, светлые действуют наоборот, зеркальные поверхности отражают почти весь падающий на них свет.

Тепловая энергия, образующаяся из поглощаемого солнечного излучения, частично передается теплоаккумулирующей массе, а остающаяся часть переходит от поверхности массы к другим поверхностям и оттуда: посредством конвекции — в воздух, повышая одновременно температуру воздуха.

Таблица 5.1. Формы теплопередачи в помещении

—ыы= И. Поверхность Конвенция ТС дивитеволтовое), о Пол. 46 54 Стена й 40 60 Потолок 30 70

Зарание вые зил] | ых РЕНН /^ ы ЕР, х / АЕ АИ

Рис. 53. Температура в теплице солнечного дома «Ауринкопирттитало» (сплошная линия) и снаружи (штриховая линия) в г. Лайхиа в 1981-1982 гг. (типовой дом по проекту фирмы «Экосо-

Рис. 54. Влияние цвета на поглощение коротковолнового солнечного излучения 1— черный; 2 — красный и синий; 3 — желтый; 4 — белый; 5 зеркало р 8? Отраженное солнечное излучение преобразуется в тепловую энергию только в том случае, если оно падает на поверхность какого-либо предмета или строительной конструкции. Если материал, на который поступает отраженное излучение, характеризуется низкой теплоаккумулирующей способностью или низкой теплопроводностью (например мебель, дощатые стены и т. п.), то он нагревается весьма быстро, и теплота переходит в воздух, в результате чего может произойти его перегрев, с которым приходится бороться с. помощью вентиляции. | _

Эффективность использования прямого. солнечного излучения можно повысить двумя способами:

путем поглощения прямого солнечного излучения и аккумулирования тепловой энергии непосредственно той массой; на которую падают солнечные лучи;

путем рассеивания солнечного излучения по всем ‚направлениям, где имеется какая-либо теплоаккумулирующая масса.:

Прямое солнечное излучение. При применении первого способа выявляют те участки теплицы и жилой квартиры, на которые падает первичное солнечное излучение в определенные промежутки времени, например между 9 и 15 ч. В качестве вспомогательных средств можно использовать разработанную Гуннаром Плейелем теневую модель (см. п. 4.6.2), а также инсографики и инсоляторы. На полу и стенах модели отмечают участки, на которые попадает прямое солнечное излучение в различные месяцы. Эти участки целесообразно на этапе проектирования покрывать материалами темного цвета, имеющими хорошую теплоаккумулирующую способность. Такой материал должен, кроме того, обладать, способностью воспринимать `тепловую энергию с тем, чтобы возможно большая часть теплоты, накопившаяся на его поверхности, могла перейти в эту массу, а не в воздух. | `_

Рассеянное излучение. Солнечное излучение, попадающее в теплицу или через нее в квартиру можно рассеивать с помощью покрытия из соответствующего стекла или полиэтилена, а также путем применения шероховатой поверхности белого цвета. От этой поверхности свет отражается во. все стороны и попадает на.

другие массы, которыми он и поглощается. Преимуществом данного рещения является то, что все массы на-.

греваются равномерно, и температура на их поверхности не повышается до столь больших значений, как на поверхности стен, материал которых поглощает солнечное излучение непосредственно. Применение рассеивающих полупрозрачных покрытий благоприятно также и для растений, поскольку свет падает на них равномерно, и солнечные лучи не вызывают «сгорания» растений. Недостаток применения таких покрытий заключается в том, что они не совсем прозрачны для света — окружающее пространство видно сквозь них, как в тумане,

Размещение теплоаккумулирующих масс. Размеры участков в теплице, на которых можно разместить какую-либо. теплоаккумулирующую массу, весьма ограниченны. Большая часть стен, а зачастую и крыши теплицы оснащены ‘прозрачным для света покрытием, основная же часть поверхности пола отведена для выращивания растений. Поэтому для других. целей остается лишь небольшая часть поверхности пола и часть. задней стены, в которой обычно оборудованы также окна и дверь. Эти участки необходимо как можно 6более эффективно использовать для накопления и создания запасов тепловой энергии. Для ‘решения этой задачи надо, чтобы на теплоаккумулирующие массы, _ размещенные на указанных участках, падало прямое солнечное излучение в течение большей части светового дня. Таким образом, эти массы будут выполнять функции накопителей солнечной энергии и теплоаккумуляторов. Размещенную таким образом массу называют первичной массой. В зависимости от свойств первичной массы передача теплоты от нее происходит примерно на расстояние до 200 мм. От вторичной массы, которая не подвергается непосредственному воздействию солнечных лучей или главным образом остается в тени, передача теплоты. осуществляется на расстояние 80—100 мм. Поэтому для вторичной массы требуется плошадь поверхности в 2—3 раза большая, чем для первичной.: -`.

При размещении теплоаккумулирующих масс и выборе материалов надо ответить на следующие вопросы:

что требуется обеспечить теплом в первую очередь — квартиру или помещение теплицы?

каким образом. можно с максимальной эффективностью использовать в качестве теплоаккумуляторов строительные материалы, применяемые ‘при возведении дома?:. |.

сколько места можно предоставить для размещения теплоаккумулирующей массы и каким образом этд размещение повлияет на использование площади теплицы?

каким образом при проектировании конструкции разделительной стены, в ‘которой предусмотрены раздвижные теплоизолирующие покрытия с обеих сторон обеспечить их максимальную эффективность?:

и каковы расходы по-их реализации? т каким образом: осуществляется данное конётруктивное решение на практике и долго ‘ли будет служить эта конструкция? д _ как принятое конструктивное решение ‚влиивт на внешний вид теплицы и квартиры? |: ‚ В Швеции в Высшем техническом училище Чалмерса были исследованы различные системы, в которых солнечная энергия, ‘накопленная в теплице или остехленной веранде, использовалась для отепления квартиры. На рис. 56 представлены два альтернативных варианта размещения теплоаккумулирующих масс. ° о Во первом варианте (система 1) такая масса размещается как в теплице, так и в квартире, жалюзи опущены и теплота аккумулируется в массе, размещенной в теплице. Температура в квартире поддерживается ниже уровня 20°С, и суточное энергопотребление несколько больше, чем во втором варианте (система 2), в соответствии с которым: воздух, разо- {ретый в теплице, подвергают принудительной циркуляции с помощью вентиляторов через. имеющиеся в

Рис. 55. Размещение теплоаккунулирующих масе в теплице и жилых комнатах. 1--2— первичная ‘масса размещена в’ теплице, при’ этом она Г: первую очередё обеспечивается теплотой; $—4— первичная масса размещена как в теплице, так и в жилых комнатах; 8 этом случае ‘теплотой обеспечиваютея все помещения: 5--7 — вторич- ‘ная масса размещена в. квартире; теплотой. обеспечиваются |. квартира ‘и тепляца; теплопередача осуществляется с использова-. нием механизмов; 8 — вторичная масса размещена в теплице; теплотой обеспечивается в первую очередь. теплица, теплопередача механизированная; 9—/0 — первичная масса размещена между теплицей и квартирой, при соответствующем положении подвижного` щита теплоизоляции теплотой можно обеснечивать в первую очерель либо изартиру, либо теплицу Суточный расход энергии на отопление, кВт.ч.

о24б В 10 12 14 16 18 20°22 24

‚ Рис. 56. Исследования систем отопления ‘квартир, основанных на использовании накопленной солнечной’ энергии. Исследования

‘проводились с применением. программы «а!» (ВЮ/$) (Рётёборе, |

‚ 1— теплоаккумулирующая ‚масса размещен дирув; а в теплице и в квар- ‚ тире, жалюзи опущены; 2 — теплоаккумулирующая масса разме.

щена только в квартире, теплопередача. с испол ена только в тире, тепл. ьзованием.вентиляторов, жалюзи опущены ^^ `^ о

` квартире’ бетонные плиты с полостями. При этом обес- | ‚ печивается интенсивный перёход тепловой энергии ра-: _ Зогретого воздуха в материал железобетонных плит,: ‚в.результате чего повышается - температура воздуха:

в квартире, хотя энергопотребление при этом уменьшается. “

Теплоаккумулирующие свойства различных материалов. Теплоаккумулирующая способность строительных материалов зависит от их теплоемкости и разности температур. В качестве общего правила можно указать, что чем больше плотность данного вещества, тем больше его теплоаккумулирующая способность. Тяжелые вещества, как празило, отличаются также и хорошей теплопроводностью. _

Таблица 5.2. Теплоаккумулирующая способность. и теплопроводность некоторых материалов —_:

ё кумули- | тельная | ТеплоОтноси Вещество Е <поеобА р тепло 5] вост, щая спо- | Вт/ (мз.°С)| п го “

Ее И собность | - вы Вода 1000 1,16 1,00 0,55 1,00 Сталь 7850 1,00 0,86 45,3 82,36 Природный камень | 2940 0,58 0,50: 1,43 | 2,60 Бетон т 9300] 0,53 0,46 1,65 3,00 Сплошной кирпич | 1800 0,46 0,40 | 0,66 1,20 Гравий, песок ‹ `} 1600 0,37 0,32 0,39 0,70 Груат — 0,25 0.15 0,85 | 1,55

‚ В небольших теплицах, где площадь размещения теплоаккумулирующих масс ограничена, целесообразно использовать вещества, обладающие способностью к фазовым превращениям. На рынках сбыта. имеется такая продукция‘в упакованном виде — пакеты. толщиной в несколько сантиметров, которые можно вмонтировать в стену; а в пределах квартиры -— также и в пол. Преимуществом таких материалов является их небольшой объем, обусловленный высокой теплоаккумулирующей способностью (например, в 6 раз большей, чем у камня). Недостатком их является высокая стоимость. Более экономичное решение заключается в использовании: в качестве‘ теплраккумуляторов таких материалов, которые одновременно служат строи“ тельным материалом конструкций пола или стены. Бесплатным теплоаккумулирующим материалом является только вода. При ее использовании определенные затраты идут лишь на установку емкостей и оборудование бассейна. —.

Влияние поверхности: тепловккумулирующей массы. Цвет используемой первичной теплоаккумулирующей массы оказывает решающее влияние на долю солнечной лучистой энергии, поглощаемой материалом. Для вторичной теплоаккумулирующей массы одним из важнейших факторов является структура поверхностного слоя, поскольку значительное количество образующейся теплоты переходит в него через воздух (путем конвекции). Нри этом. остается справедливым правило: чем более’ грубо. обработана поверхность, тем ‘больше в нее перейдет тепловой энергии. Длинноволновое тепловое: излучение хорошо поглощается почти всеми строительными материалами.

Таблица. 5.3. Способность различных материалов. поглощать коротковолновое и длинноволновое излучение

Коротко-. Коротко_ Вещество ое. ен о олнеч. Вещество рые ее ое солнечизлучение | НОе излучение излучение | В0е излучение „ Вода _ 0,94 0,95—0,96 | Красный 0,55 0,92 Бетон 0,60 |0,88—0,97 | кирпич -° Песок 0,82 0,90

Толщина элемента из теплоаккумулирующей массы. При использовании в ночное время накопленной за день солнечной тепловой энергии глубина проникания теплоты в массу, например. за 8 световых часов, определяется ее толщиной. В зависимости от вида ‘первичного теплоаккумулирующего материала толщина его в строительной конструкции может меняться от 150 до 250 мм. Такие конструктивные элементы, как пол и стены, могут быть и большей толщины, если стронтельные конструкции обладают хорошей теплопроводностью. Тем самым обеспечивается достижение лучшей теплоаккумулирующей способности, На рис. 57 показаны суточные колебания температуры для конетрукций из бетона и кирпича. Из рисунка видно; какое количество массы участвует в процессе аккумулироватеплоты. Я 4, Теплоаккумуляторы из различных материалов. Традиционные строительные материалы. Теплоаккумулирующая способность бетона и кирпича не очень высока, однако эти материалы все же могут служить в качестве первичной массы, т.е, в общих чертах, работать так же, как естественные камни. Особенно это относится к бетону, обладающему. достаточной теплопроводностью и неплохими тепаккумулирующими свойствами.. о... ^о Вело роко используется в конструкциях. пола и стен, Бетонные стены могут быть изготовлены серийно. на: заводе в виде блоков или монолитными на месте строительства. Оптимальная. толщина. бетонной стены составляет 200—250 мм для первичной теплоаккумули: рующей массы и около 100.мм — для вторичной массы. Для кирпичной стены соответствующие толщины составляют 130—150 и 80 мм. На практике это означает, что кладка кирпичных стен производится на поло. вину толщины кирпича или пол сооружается из бетонных плит толщиной 120 мм, которые затем покрывают нтичом на плашку..: __ и Водяные еплошекуйуляторы. ‚В. качестве таких теплоаккумуляторов можно использовать различные емкости, применявшиеся ранее для других целей, — сосуды из-под керосина и красок, бочки, а также нелорогие пластмассовые или металлические емкости. то верхность таких сосудов должна быть темной, чтобы обеспечивалось хорошее поглощение солнечных лу. чей. Закрашивая такие емкости темно-серой, черно и темно-красной коррозионно-стойкой. краской (например, красками «текнос-маалит» фирмы «Кирье»), м ож но добиться их. привлекательного внешнего вида, а немаловажно, поскольку теплица является частью. бы- ‚комнат. (о |.. При размещении сосудов с водой в теплице важно помнить. о том, чтобы максимально возможиая часть их поверхности была в пределах досягаемости солнечных лучей. Если используют большие емкости, то на: до сделать так, чтобы воздух мог огибать их со всех сторон, поскольку накопленная тепловая. энергия должна потом обратно перейти в теплицу Бассейны с водой хорошю функционируют как на-

4 - колебаний температуры при смене 1, т дня и ночи для бетона (а) и кир- “ пича (6) 0.5 01 - 5 10 20 3 “ Толщина теплоаккумули - 6 рующей массы, см х - 1,0 05 \. Рис. 58. Емкости заводского изго-. | ср: товления, используемые для акк}. кумулирования теплоты --1-- 1-3 к 1— баки вместимостью 10 л;.2— о; 4 бачки из-под краски, керосина и т. д. вместимостью 200 л: 8 —

10 20 30 полиэтиленовый мешок; 4— бу-

Толщина теплозккумули= Тыль (3 л); 5 — канистры из жерующей массы, см `^ СТИ (5 л)

Накопители солнечной энергии в теплицах

Накопители солнечной энергии. Падающее на них солнечное излучение поглощается почти полностью, если внутренние поверхности бассейна имеют черный цвет. Однако при этом возникают проблемы, связанные с испарением воды, поскольку этот процесс сопровождается потерями большого количества энергии (происходит охлаждение воды).

При испарении 1 л воды расходуется такое количество тепловой энергии, которого достаточно для нагрева 100 л воды на 6°С. Это количество теплоты, в свою очередь, освобождается при конденсации влажного воздуха на холодных поверхностях. Появление влаги неблагоприятно для помещений и обусловливает необходимость вентиляций, что связано с потерями тепловой энергии. Поэтому рекомендуется оборудовать такой бассейн прозрачным полиэтиленовым покрытием для уменьшения теплопотерь и предотвращения испарения воды.

Использование емкостей для аккумулирования тепла

Наиболее целесообразный способ аккумулирования тепловой энергии в воде заключается в использовании заполненных водой бочек, покрытых прозрачными крышками или полиэтиленовой пленкой для предотвращения испарения воды. Недостаток такого решения заключается в том, что наиболее теплая область располагается вверху, а наиболее холодная — на дне бочки, вследствие чего теплоаккумулирующая способность воды будет использована относительно плохо.

Для утилизации теплоты, исходящей от бочек, на них размещают различные растения, при этом должна быть обеспечена свободная циркуляция воздуха и теплоты в окружающем пространстве.

При использовании в качестве теплоаккумуляторов емкостей меньших размеров практически полностью предотвращается температурное расслоение воды. К тому же емкости меньших размеров можно разместить в теплице более компактно и тем самым сэкономить полезную площадь для отдыха и выращивания растений.

Основная особенность водяных теплоаккумуляторов заключается в том, что в больших теплоаккумулирующих емкостях тепло сохраняется дольше, однако оно медленнее передается различным слоям массы воды. Небольшие емкости благодаря большой теплопередающей поверхности быстро реагируют на изменение условий, что полезно, например, в случае перегрева. Зато они быстро отдают накопленное тепло, что весьма нежелательно в холодные ночи.

Чернозем в качестве теплоаккумулятора. Использование чернозема для аккумулирования теплоты

Рис. 61. Первичная теплодккумулирующая стена, ‘сооруженная из жестяных канистр представляет собой наиболее дешевый и простой способ обогрева теплицы. К сожалению, этот способ малоэффективен, так как аккумулирование теплоты землей без использования каких-либо устройств дает худшие результаты, чем это можно ожидать исходя из теплоаккумулирующей способности грунта. Причиной этого является наличие в помещении теплицы растений, которые покрывают наибольшую часть площади, предназначенной для их выращивания.. Каменные теплоаккумуляторы. Эти теплоаккумуляторы также оказались относительно малоэффективными. Каменный теплоаккумулятор можно разместить непосредственно в теплице, расположив природные камни, например, у задней стены или под теплицей. При укладке камней перед задней стеной необходимо следить за тем, чтобы толщина их слоя была небольшой и солнечные лучи достигали поверхности всех камней. Камни можно разместить по всей поверхности стены с помощью сетки или замуровать в стену, что придает ей весьма красивый внешний вид ‚однако все это требует больших трудозатрат.

, Рис. 62. Каменный теплоак- [15 кумулятор; камни сложены 1: у задней стены и прикрепр Рис. 68. Относительное из-.’ менение температуры воздуха в бетонной плите с конструктивными полостями как функция длины этих полостей. Объемные потоки: 200 мз/ч=4 мс; 100 мз/ч==2 м[с; 50 мз/че =1 м/с

Если использовать несколько рядов камней, то необходимо применение вентилятора. Промытые камни в этом случае следует уложить так, чтобы оставить промежутки между ними для прохода воздуха, точно так же, как и при размещении каменного теплоаккумулятора под полом теплицы. Если такой теплоаккумулятор предназначен для кратковременного использования, то размер камней должен быть небольшим. По опыту эксплуатации такого теплоаккумулятора можно сказать, что наилучший результат в этом случае обеспечивают камни округлой формы диаметром 30—50 мм. Передача теплоты камням все же не очень эффективна. Опыт, полученный в Финляндии и Швеции, показал, что только одна треть или половина камней (из веего числа взятых) участвует в аккумулировании теплоты. По сравнению с бетонными плитами, имеющими конструктивные полости и обеспечивающими участие 80—90 % массы плит в аккумулировании теплоты, каменный теплоаккумулятор относительно менее эффективен. |

Рис. 64. Экспериментальный дом ЗНЕО в Шеффилде (Англия), архит. Цедрик Грин. Поперечный разрез и принцип действия

1— угол высоты солниа в марте; 2 — поднимающийся теплый воздух в теплице; 3 — горизонтальный воздушный канал с тиристорным регулированием; 4 — вертикальные теплоаккумуляторы в промежутке между окнами; 5 — вентилятор, который засасы“ вает теплый воздух и нагнетает его через напольный теплоаккумулятор ‘в теплицу; 6 — прямое солнечное излучение; 7 — возвращающийся воздух; 8 — подставка для вьющихся растений, создающих летом тень; 9 — люки с ручным приводом

Конструкции с полостями. Для эффективной передачи теплоты в кирпичную или блочно-бетонную стену с конструктивными полостями надо использовать вентилятор. В пустотелых бетонных плитах, например на длине 6 м, массе бетона может передаваться в зависимости от скорости подачи теплого воздуха примерно половина теплоты. Бетон почти целиком участвует в процессе аккумулирования теплоты благодаря относительно небольшой толщине плиты и густой сети пус-