Энергообмен и механизмы накопления тепла в тепличных конструкциях

Естественные энергетические потоки в теплице

Благодаря наличию прозрачного ограждения (стекла) в теплице обеспечивается возможность аккумулирования большей части поступающей энергии солнечного излучения. Коротковолновое солнечное излучение относительно беспрепятственно проникает сквозь стекло в зависимости от его толщины и чистоты поверхности. Стекло пропускает электромагнитное излучение с длиной волны 0,3—2,4 мкм. В этой области спектра сосредоточена наибольшая часть солнечной энергии, в том числе сюда входит область видимого света с длиной волны 0,35—0,75 мкм (см. п. 2.1). Почти половмну излучения составляет видимое излучение, а другую половину — инфракрасное. _

При попадании солнечного излучения на растение или на темную поверхность оно преобразуется в тепловую энергию с длиной волны около 19 мкм {область длин волн теплового излучения составляет 4—50 мкм). Большинство материалов, за исключением некоторых сортов органического стекла, не пропускает это излу: чение, оно поглощается поверхностным слоем, нагревая его. |

Тепловая энергия, получаемая различными поверхностями внутри теплицы, поглощается материалами, а некоторая часть этой энергии отражается или передается воздуху, создавая коивекцию в помещении. Таким образом, возникают естественные потоки энергии, стремящиеся привести: систему в равновесное состояние. Потоки тепловой энергии устремляются через замкнутую и прозрачную наружную оболочку в окружающее пространство — в воздух или в грунт. Тепловая энергия передается также предметам и материалам, имеющим пониженную температуру, т. е. тепловая энергия аккумулируется этими материалами.

Обычно требуется уменьшить распространение теплового потока в сторону наружного воздуха и далее в окружающее пространство. В теплицу поступает больше тепловой энергии, чем уходит наружу, в результате чего температура в ней поднимается, т. е. обеспечивается достижение «тепличного эффекта» для растений.

3.2. «Пассивные» решения, основанные на использовании природных факторов

На рис. 17 показано, что тепловая энергия передается путем излучения или конвекции. Как известно, воздух при нагревании поднимается вверх, а при охлаждении опускается вниз, вследствие чего в теплице и жилом доме возникают тепловые потоки. Если известны. физические основы происхождения этих тепловых нотоков, то можно решить проблему отопления, не прибегая к использованию невосполняемых источников (электроэнергии, различных видов топлива).

Ниже приведено несколько способов накапливания солнечной энергии в тенлине и создания ее запасов с номощью спевнальных устройств.

Пол теплицы как теплоаккумулятор. Солнечное излучение, проникая в теплицу и попадая на темную каменную поверхность нола, нагревает его. Часть теплевой энергии в результате возникаютней конвекции и теплового излучения передается в пространства теплицы (главным образом ее внутреннему воздуху), и нагретый воздух переходит в квартиру через открытые окна и двери. Часть тепловой энергии (в зависимости от абсорбционной способности и теплоаккуму-.. ” — 1-78 р „.. й к ы. 1 [7—5 ук $ - Ра 472” к 7.“ 1 к $

Рус. 17. Естественные энергопотоки в теплице при индивидуальном доме в холодный солнечный день (волнистые стрелки—длинноволновое тепловое излучение)

Рис. 18. Тепловая энергия аккумулируется в массе пола. помещения теплицы или квартиры.

лирующих свойств пола) аккумулируется материалом пола. Ночью тепло. передается обратно в квартиру и в теплицу в результате теплового излучения, исходящего от материалов пола, и последующей конвекции. 3.2.2. Стена теплицы как теплоаккумулятор. Солнечные лучи, попадая на возведенную из. камня темную заднюю. стену теплицы, нагревают ее. Как ив предыдущем случае, тепловая энергия передается частично материалу стены и частично — воздуху теплицы. Нагретый воздух поднимается вверх и через открытый люк попадает в квартиру, где часть тепловой энергии аккумулируется полом, стенами и потолком.

= Ч ГР м. о ВИ т К 4

Вис. 19. Тепловая энергия аккумулируется материалом стены теплицы или квартиры (обозначения те же, что на рис. 18)

В ночное время эта тепловая энергия переходит в воздух квартиры и теплицы.

Теплоаккумулирующую ‘стену теплицы можно оборудовать еще и светопропускающим покрытием, обеспечиваюшим более эффективный сбор тепловой энергии и отопление квартиры. Такое конструктивное решение называют «солнечной стеной».

Бассейн или чернозем в качестве теплоаккумулятора. Суть этого дешевого конструктивного решения заключается в том, чтобы обеспечить эффективный разогрев воды или чернозема путем соответствующей ориентации солнечного нагревателя. Поскольку вода обладает хорошей теплоаккумулирующей способностью, она может принять большее количество тепловой энергии, в чернозем — соответственно меньшее.

Рис. 20. Тепловая энергия аккумулируется в массе воды или

“— бассейн с водой; б —трунт или аккумулятор тепловой энер-

Использование бассейна неблагоприятно для отопления теплицы при индивидуальном жилом доме. Испарение воды сопровождается большими теплопотерями и новышает влажность воздуха, что может привести к дискомфорту в жилых помещениях. Это рещение можно применить в том случае, если бассейн будет оборудован светопропускающим покрытием.

Изолнреванные телплоаккумулирующие устройетва. Аналогично. отисанным выше способам тейловую энергню можно аккумулировать в темней повуде с водой, теввых намиях или мешках с глауберовой солью. и т. д. В ночное время теплота нередается воздуху в тенжине, а дием — также н воздуху жилых помещений. ^

4? Рис. 21. Тепловая знергия аккумулируется массой отдельных тел, расположенных в теплице а— бочки с водой, канистры, банки и т.д.; б — камни, уложенные вплотную к стене; в — камни, уложенные свободно; г — мешки с солью (теплоаккумулятор, работающий на основе использования явления фазовых переходов)

Естественная циркуляция (солнечные накопители и каменный теплоаккумулятор). Днем воздух интенсивно нагревается с помощью солнечных накопите- + лей, которые расположены в нижней части теплицы.

женный под полом, воздух охлаждается. Ночью воздух, нагретый в солнечном накопителе, поднимается } вверх и увлекает за собой более холодный воздух из 1 каменного. теплоаккумулятора. Таким образом возни1 кает естественная циркуляция воздуха, обеспечиваю- * щая передачу теплоты из солнечного накопителя в теп- * лоаккумулятор или через систему люков прямо в}

Ц о о Зоо. б Оо [2

Рис. 22. Накопитель солнечной энергии и система аккумулирования этой энергии, работающая на использовании естественной циркуляции.

а — каменный теплоаккумулятор в виде груды камней под полом теплицы; б — каменный теплоаккумулятор в виде груды камней под полом тенлицы и квартиры теплицу или в квартиру. Вместо каменного теплоаккумулятора можно использовать бетонные плиты с полостями или другие устройства.

3.3. «Полуактивные» инженерные решения, — основанные на применении механических устройств _

С помощью вентиляторов и регулирующих устройств можно более эффективно управлять потоками воздуха по сравнению с системами, действующими с использованием естественной циркуляции. Это особенно заметно в тех случаях, когда воздух приходится пе-

4— 293 | | 49 ремещать на значительные расстояния в направлении, противоположном естественному, например вниз или через теплоаккумулирующее устройство, обладающее большим сопротивлением, которое можно преодолеть только путем использования механического устройства. Такие системы, обеспечивающие накапливание солнечной энергии в теплице и подачу нагретого воздуха с помощью вентиляторов в теплоаккумулирующее устройство или в жилые комнаты, нередко по терминологии, принятой в США, называют «полуактивными», или «гибридными», системами.

Исследования показали рентабельность применения вентиляторов, поскольку это позволяет накапливать большие запасы солнечной энергии и соответственно использовать ее. Например, английский исследователь Цедрик Грин в результате проведенных экспериментов и расчетов установил, что в подобной системе с одним вентилятором при достаточных аккумулирующих возможностях можно утилизировать примерно на 30 % болыше даровой солнечной энергии, чем в системе с естественной циркуляцией воздуха без теплоаккумулятора.

Простой способ отопления квартнры заключается в использовании нагретого в теплице воздуха с помошью воздушной отопительной системы. В отопительный период свежий воздух для этой системы можно брать из теплицы, где воздух предварительно прогревается. Кроме того, теплый воздух, попадающий в квартиру через дверь, окна или люки, можно охлаждать с номощью теплораспределительных каналов, расположенных под полом, и, таким образом, использовать подпол дома в качестве теплоаккумулятора.

Другой способ отопления квартиры заключается в том, что теплый воздух с пюмошью системы воздушного охлаждения направляют дальше, например через бетонные нлиты нижнего или промежуточного пола дома, в результате чего тепловую энергию можно аккумулировать непосредственно в конструкции, откуда она ночью, а также на следующий день (если он облачный} передается в жилые комнаты.

Ниже описано несколько рациональных решений с использованием вентиляторов.

Бассейн или грунт как теплоакиумулятор. Воздух, нагретый днем с помошью солнечного излуче-

Рис. 24. Теплота накапливается в каменном теплоаккумуляторе с помощью вентиляторов, расположенных под полом:

• а — каменный теплоаккумулятор под теплицей, открытая циркуляция воздуха;
• б — каменный теплоаккумулятор под теплицей и квартирой, открытая циркуляция воздуха;
• в — каменный теплоаккумулятор под полом квартиры, закрытая циркуляция воздуха.

Рис. 25. Теплота аккумулируется в бетонных плитах с внутренними полостями:

• а — теплица из легких конструкций, для конструкции пола квартиры использованы бетонные плиты с полостями;
• б — массивная стена в теплице, конструкция пола квартиры выполнена из бетонных плит с полостями;
• в — солнечная (теплоаккумулирующая) стена в теплице, конструкция потолка и пол квартиры выполнены из бетонных плит с полостями.

Принципы работы систем теплообмена в теплицах

Каменный теплоаккумулятор под теплицей или квартирой. Теплый воздух нагнетается через воздуховод на дно каменного теплоаккумулятора, откуда он самостоятельно проходит между отдельными камнями, охлаждается и возвращается обратно в теплицу.

В другом решении воздух из жилых комнат засасывается через каменный теплоаккумулятор в теплицу, где он нагревается и возвращается в жилые комнаты. Такая система хорошо функционирует поздней осенью и в начале весны, когда влажность воздуха в теплице остается низкой. В период, когда систему необходимо активно орошать, в квартире могут возникнуть проблемы из-за высокой влажности воздуха.

Теплота возвращается в жилые комнаты путем излучения и конвекции. Из каменного теплоаккумулятора, расположенного под полом помещения теплицы, она поступает в теплицу с помощью вентиляторов. Теплый воздух из верхней части теплицы продувают через каналы и отверстия в бетонных плитах с полостями или в других конструкциях теплицы.

Существует несколько альтернативных вариантов принципиальных решений, изложенных выше; некоторые из них приведены в гл. 9.

Пространство теплицы как часть индивидуального жилища

Помимо функциональных и физических факторов архитектурные и строительно-технические решения теплиц при индивидуальных домах в значительной степени зависят от типа здания, например от его размера, этажности, времени постройки и т. д. На выбор эффективного решения существенное влияние оказывают также особенности и характер окружающей среды — форма и пересеченность местности, окружающая застройка, затененность.

Теплица при индивидуальном доме. На рис. 26—29 приведены конструктивные решения теплиц при индивидуальных домах разного типа.

В небольших одно- и двухэтажных индивидуальных домах существуют различные варианты компоновки теплиц. Такие теплицы придают жилым домам индивидуальный характер, однако по своей конструкции они должны быть подчинены основному архитектурному решению здания.

Представленные здесь альтернативные решения отражают типичные случаи. Однако существуют и другие решения, выбор которых определяется конкретными обстоятельствами.

В архитектурном отношении теплица представляет собой естественное продолжение форм здания, и строить ее необходимо с учетом строительных материалов и цветовых оттенков дома. При стыковке теплицы с существующим индивидуальным домом внешнее оформление нередко вызывает затруднения, и приходится прибегать к помощи специалиста (архитектора). Теплица должна стать не случайной пристройкой, а гармоничной частью индивидуального дома.

Теплицы в многоэтажных домах. Проживание в многоэтажных домах, особенно в новых пригородных микрорайонах, оказалось для жителей неблагоприятным и вызвало их недовольство. Это обусловлено как недостатками района застройки и планировки квартир, так и отсутствием комфорта. Зачастую квартиры тесны, примыкающие к ним наружные помещения, если они вообще имеются, нередко малы по размеру и недостаточно защищены от ветра. Детские игровые площадки часто не удовлетворяют обычным требованиям. Как правило, полностью отсутствуют функциональные помещения для молодежи и помещения для занятий по интересам для взрослых.

Строительство многоэтажных домов обеспечило эффективное использование участков земли. Практически всегда это происходило за счет ухудшения природных условий и снижения качества жилья. Поэтому не удивительно, что многие жители, проживающие в многоэтажных домах, чувствуют себя временными жильцами и мечтают переселиться в небольшие индивидуальные дома где-то поблизости. Проживание в небольших индивидуальных домах они связывают с достижением независимости, благополучия в семейной и личной жизни, возможностью приложить свои усилия для улучшения условий жизни, получением индизидуального дворика, обеспечением безопасности и т. д. Для многих такие надежды остаются несбыточными мечтами, однако они говорят о том, что в новостройках требуется вводить новшества, особенно в тех районах Финляндии, где проживают около 30 % населения страны.

Строительство теплиц при многоэтажных домах должно способствовать улучшению условий жизни в микрорайонах. Это дает населению дополнительную жилую площадь и предоставляет жителям возможность заниматься любимым делом.

Теплицы в новых многоэтажных домах. Многие считают, что теплицы можно создавать только в сельской местности, а в городских условиях это примени-

: $, заозезаа, коз ев ров л во зе ниеь

Рис. 26. Конструктивные решения плит при небольших индивидуальных домах а — новые индивидуальные дома; 6—9 — решения, приемлемые для новых и старых индивидуальных домов мо лишь к небольшим домам. Однако это не так. Теплицы можно устраивать также в квартирах в многоэтажных домах, где они образуют индивидуальную или коллективную наружную площадь, на которой можно заниматься растениеводством или проводить свободное время. Ниже даны некоторые рекомендации по реализации этой идеи.

Теплину необходимо разместить на солнечной стороне дома (см. гл. 4), где обеспечивается инсоляция преимущественно с февраля по ноябрь. Площадь теп-

3%. 55. там ово вые У

Рис. 27. Констрективные решения теплиц при икдьвидуаленых домах различных типов с плотной застройкой участка лины целесообразно увеличить до размеров, больших, чем у обычных балконов. Подходящей следует считать площадь в пределах 10—20 м?, чтобы можно было разместать стол и стулья, а также отвести место для выращивания растений. При расположении жилой площади на уровне земли теплицу можно устроить не сколько заглубленной в жилой дом. При проектировании теплиц надо утечнить, как меняютея. углы. падения солнечных лучей на`вертикаль-. ные и горизонтальные плоскости, а также при смене дня и ночи и времен года. Летом, когда солнце расположено высоко на небосводе, необходимо обеспечить затенение и предусмотреть достаточное чиело вентиляРис, 28..Приме дуальном доме

Бозе фо в бара в ма вое ноь кт

Рис, 29. Пристройка теплицы при старом индивидуальном доме

Рис. 80. Многоэтажный дом чердачно-коридорного типа, в котором широкие балконы переоборудованы в бытовые теплицы

Рис. 81. Теплицы в многоэтажном доме с однои двухэтажными квартирами ционных люков для смены воздуха как в теплице, так и в жилых комнатах.

Чаще всего теплица представляет собой одноэтажное помещение глубиной 2—3 м. В некоторых типовых многоэтажных домах с квартирами в двух уровнях высота теплицы может быть достаточно большой.

— Е. Ъ У А СЫ КАЯ [ети | ИТ МАТУР кя НРА уэнкит

Рис. 32. Многоэтажный дом, в которон теплица расположена на

В одном из удачных решений более узкий балкон рас1 полагается вдоль смежной со спальней или помещениями бани стены (на верхнем этаже) и обеспечивает же- } лаемую затененность летом. Тенлица функционврует:

как накопитель солнечной энергии и способствует отоплению квартиры за счет поступления бесплатной сол- | нечной теплоты и снижения теплопотерь. В солнечный день, когда квартира быстро перегревается (в усло- виях Финляндии это происходит только летом), тепли- | ца эффективно функционирует как охладитель кварти. _ ры. Если помимо вентиляционных форточек в верхней | мы для обеспечения связи с прохладной стороной дома’:

(северо-запад — север — северо-восток), то можно создать воздушные потоки, в которых выходящий нару-

Рис. 38. Общий дворовый участок с застекленной крышей при многоэтажных жилых домах (поперечный разрез’ и перспектива) жу прогретый воздух увлекает за собой более прохладный.

Одно из интересных решений оборудования теплицы в многоэтажном доме заключается в размещения ее на крыше такого дома. Таким способом достигается ве только приближение к природе, но и возможность получения солнечного света в густо застроенных мик“ рорайонах, а также в жилых зданиях е неблагоприятной ориентацией. Это решение вполне применимо и к старым домам. _ о

Г В теплице можно заниматься как индивидуальным 1 выращиванием растений на отдельных участках, так и коллективным растениеводством на относительно | больших площадях. Дети в таком помещенин могут играть круглый год, особенно в холодное время года и в дождливую погоду. Если бьющиеся стекла в таких +

‘помещениях заменить на небьющиеся из органического стекла, по крайней мере в наиболее опасных мес- | тах, то такая теплица становится безопасной и пригод1

Температура воздуха в теплице всегда выше тем- } пературы наружного воздуха. Эту особенность можно 1 использовать, например, при оборудовании вентиляционной системы, которая обеспечивает подачу в жилые помещения воздуха, предварительно нагретого в теплице, вместо подачи непосредственно холодного наруж- } ного воздуха. Таким образом достигается существен3 ная экономия энергии в многоэтажном доме, где более 3 половины теплоты нередко теряется через вентиляци3 онные устройства. На рис. 33 показан вариант использования в качестве теплицы общего двора двух или четырех домов, $ оборудованного стеклянной крышей. Это пространст- + во не отапливается. Все входные двери открываются 3 во двор, где имеется много места для отдыха и различных видов деятельности жильцов. Естественно, та- } кие условия способствуют общению жильцов между | собой, поскольку крытый двор объединяет их и вовле-

Теплицы в старых многоэтажных домах. Для создания теплиц в старых многоэтажных домах требуется лишь прозрачное покрытие из обычного или органического стекла (например, акрилового или поликарбо1 натного, см. гл. 6), устанавливаемое на месте светового проема лоджии. Если уплотнить герметически закры- } тые части, места стыков, например поручни и боковые } стенки, то это предотвращает образование ‘сквозняков 3 и обеспечивает получение небольшого защищенного 1 и освещенного помещения. Возможности использования такого помещения намного лучше, и длительность эксплуатации его в 2—3 раза больше, чем обычного балкона. В таких теплицах можно заниматься выращиванием рассады и декоративных цветов в банках и горшочках, насколько позволяют размеры балкона.

НР у... НН г 10 вю [—- С И В. А с] РП. д ср \ с

Рис. 35. Балконы расширяются и оборудуются стеклянным покрытием

5— 293 65 Правда, во многих многоэтажных домах, построенных в прошлые годы, балконы весьма тесны, ‚особенно по глубине.

Для создания подобного застекленного наружного помещения не требуется больших затрат — его можно построить своими силами. В уже существующем помещении надо только оборудовать защитное покрытие из прозрачного материала и обеспечить достаточно интенсивную вентиляцию. Одно’из преимуществ такого засте-_ кленного помещения заключается в том, что комары в летний вечер остаются снаружи, Защитные сетки устанавливают перед вентиляционными проемами, которые летом чаще всего остаются. открытыми; - ‚ Во многих. блочных многоэтажных домах. отсутетвуют квартиры в цокольном этаже. На этом этаже можно оборудовать больцое помещение теплицы, где жильцы могут вместе высаживать растения или распределить участки между собой. Легкие прозрачные конструкции. теплиц чувствительны к ударному воздействию камней, мячей, предметов, падающих сверху, и т. д. поэтому здесь возможны случаи хулиганства. Однако такая возможность’ существует везде, где не созданы условия для разумного досуга молодежи.

устройства теплиц можно добиться существенного улучшения внешнего вида микрорайона с многоэтажной застройкой. Зачастую блочные многоэтажные дома, построенные в последние 15 лет, весьма. однообразны, лишены индивидуальности. Размещение в. них теплиц с оконными рамами, выступами и растениями' при хорошем исполнении может. заметно улучшить внешний облик эданий и вдохнуть жизнь в серые унылые дома.