Акумуляція сонячної енергії в конструкціях теплиць та житлових приміщень

` Із пустотілих плит можна споруджувати стіну між теплицею та квартирою або підлогу теплиці безпосередньо на теплоізолювальній поверхні, а також у квартирі, де використовуються, наприклад, плити, що вже мають теплоізоляцію з нижнього боку. Крім того, проміжне та верхнє основи підлоги в кам'яних будівлях також можна виконати з пустотілих бетонних плит.

Одне з таких конструктивних рішень реалізовано в університеті Шеффілда (Англія) для експериментального будинку SNEO (Solar Heated Experimental Dwelling). У цьому будинку, що опалюється за допомогою сонячної енергії, є теплиця, яка займає всю південну стіну одноповерхового будинку. Як тільки температура повітря в теплиці піднімається вище, ніж це потрібно для росту рослин, повітря звідти за допомогою вентиляторів передається в теплоакумулятори. Потужність вентиляторів, обладнаних тиристорними регуляторами, становить 2,30 Вт. Як теплоакумулятори використовують бутлі, цеглу та невеликі камені. Від них тепло переходить у житлові кімнати шляхом випромінювання та природної конвекції. На підставі випробувань було доведено: система функціонує найефективніше, якщо вона обладнана вентиляторами та теплоакумуляторами; | у системі, обладнаній вентиляторами та теплоакумуляторами, економія енергії склала 78%, а в аналогічному рішенні без перерахованого обладнання вона дорівнювала 49 % (ці цифри дані в порівнянні зі звичайним житловим будинком);

додаткові витрати на будівництво теплиці, придбання та монтаж вентиляторів і обладнання теплоакумуляторів окупаються повністю за дев'ять років експлуатації будинку;

єдиним недоліком цього способу є невеликий рівень шуму, створюваного роботою вентиляторів.

Визначення витрати теплоти та вибір розмірів теплоакумулятора. «Правило великого пальця». При проектуванні місць розміщення теплоакумулювальних мас і при оцінці потреби створення запасів теплоти можна користуватися методикою, що передбачає

$. 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 >

. Коливання температури повітря в теплиці при зміні теплоємності: для 80 л води/м? прозорого покриття (а), 100 л води/м? прозорого покриття (б) та л води/м? прозорого покриття (в) застосування «правила великого пальця». По суті ця методика досить груба, проте вона зручна і не дозволяє припускатися великих помилок. Остаточну перевірку проекту можна здійснювати після цього за допомогою моделі «а» (автоматичної обробки інформації) або шляхом використання досвіду, отриманого раніше, наприклад щодо вибору розмірів і способу теплопередачі в теплоакумуляторі. Питання акумулювання сонячного випромінювання відповідно до «правила великого пальця» були розглянуті раніше (див. гл. 4). Розміри необхідної теплоакумулювальної маси можна визначити шляхом обчислення її питомої теплоємності для даної теплиці. Це покаже, скільки літрів води або іншої теплоакумулювальної маси (у перерахунку на воду) припадає на 1 м? площі поверхні прозорого покриття. Вважається, що світлові промені безперешкодно проникають у теплицю.

Я Порівняння різних рішень дозволило виявити залежності, на підставі яких встановлено, що для умов Фінляндії оптимальні такі обсяги первинної акумулювальної маси в розрахунку на 1 м2 прозорого покриття: 0,1—0,2 м? води, 0,3— 0,5 м3 цегли та 0,6—1,2 м3 каміння.

Особливості теплоакумулювальних мас і розрахункові моделі

Кількість теплоакумулювальної маси нічого не говорить про форму самого теплоакумулятора, а також про розміри одиничного акумулятора. Зовсім не одне й те саме, наприклад, чи розмістять 1000 л води в п'яти бочках об'ємом по 200 л кожна або у 2 тис. банок об'ємом по 0,5 л кожна. Використання одного і того ж обсягу води призвело б до зовсім різних результатів!

Рис. 66. Використання програми SPТЕТ для дослідження експериментального будинку SNEP у Шеффілді.

Визначення витрати теплоти за моделлю «ак». Якщо відомі характеристики будівлі та місцеві кліматичні умови, наприклад температура, сонячне випромінювання, затіненість тощо, то можна починати заміри відповідно до плану будівництва.

При необхідності отримати точні відомості про тепловий режим теплиці та квартири експерименти треба проводити з невеликими інтервалами часу (як правило, 1 год). Через кожну годину протягом усього року слід визначати:

• кути падіння та інтенсивність сонячних променів;
• зовнішню температуру;
• поверхню, на яку падає сонячне випромінювання;
• кількість виробленої теплоти;
• напрямки передачі цієї теплоти;
• температуру, отриману в різних місцях тощо.

Цілком зрозуміло, що цей процес буде настільки трудомістким, що допомога моделі «ак» стає просто необхідною.

У різних країнах розроблені програми для моделі «а», наприклад програма ВК!$, або викладена нижче розрахункова програма ЕРТЕТ, яка є вельми зручною через свою наочність. Нижче буде показано також застосування програми 5РТЕТ для дослідження експериментального будинку ЗНЕО.

Сітковий метод та акумулювання енергії

Сітковий метод. Цей метод являє собою вельми ефективний і простий спосіб виконання необхідних розрахунків із циркуляції теплоти. Він ґрунтується на тому, що рівновага температур відповідає рівноважному стану струму в електричному ланцюзі. Зовнішні погодні умови (головним чином кількість сонячної енергії та температура) змінюються безперервно.

За допомогою спеціальних електронних пристроїв отримують зображення стін, стелі та теплоакумулювальної маси, а також так звані стічні точки, що являють собою місця вимірювання температури. Коли ми маємо дані про характеристики будівлі, а також певною мірою інформацію про погодні умови, то можна розпочати експеримент.

Існують два способи проведення вимірювань:

1. Побудувати електронну модель — ланцюг, на якому потім проводять експеримент.
2. Задати програму в цифровій формі для малогабаритної ЕОМ або багатофункціонального обчислювального пристрою і виконати обчислення.

В обох випадках результати отримують у вигляді температур, виміряних через кожну годину в контрольних точках. Якщо вони не будуть задовільними, то експериментаторам доведеться змінити проект, додаючи або віднімаючи відповідні величини. Принципи цього методу використовують у програмі ЕРТЕГ, яка допускає використання малогабаритної ЕОМ або багатофункціонального обчислювального пристрою.

Створення запасів акумульованої теплової енергії. Найбільш суттєвими факторами, що зумовлюють тепловтрати теплиці, є такі:

великі потреби в повітрообміні внаслідок використання великої площі скляного покриття, що ефективно накопичує сонячну енергію.

Оптимізація теплобалансу та вентиляції теплиць

Проблеми частково пов'язані одна з одною, тому бажано знайти способи їх одночасного вирішення. Теплобаланс спрямованих на південь двошарових вікон в опалювальний сезон для губернії Етеля-Суомі (Південна Фінляндія) є від'ємним. Це означає, що кількість сонячної променистої енергії, яка надходить через вікна, буде більшою, ніж кількість тепла, що виходить через них назовні.

Якби конструкція теплиці була герметичною і надлишкове тепло можна було повністю збирати в запас, то теплиця залишалася б теплою протягом усього періоду росту рослин, починаючи з середини березня і аж до останніх чисел жовтня. На практиці це все ж таки неможливо, оскільки, по-перше, не можна досягти повної герметичності конструкцій теплиці і, по-друге, повітря необхідно змінювати, щоб забезпечити отримання рослинами двоокису вуглецю, а для зниження вологості теплицю доводиться провітрювати (див. гл. 7).

Методи зниження тепловтрат у теплиці

Зменшення площі поверхні прозорого покриття. Оскільки прозоре покриття за своїми теплоізоляційними характеристиками є найслабшим елементом огородження теплиці, площу його поверхні прагнуть зменшити там, де це менш важливо щодо проходження сонячного світла. Це неважко зробити, оскільки теплицю зводять завжди як прибудову до житлового будинку або іншої будівлі, наприклад до хліва, тому теплиця виявляється захищеною і отримує певну кількість тепла від цієї споруди.

Заглиблюючи частину теплиці в житловий будинок або виконуючи одну чи обидві торцеві стіни у вигляді суцільних теплоізоляційних стін, можна забезпечити з двох або навіть із трьох сторін майже повний захист. Внаслідок цього значно знижуються тепловтрати. Дах залежно від форми і насамперед глибини теплиці також можна зробити частково або повністю закритим. У процесі проектування глухих і прозорих частин будівлі вельми важливо пам'ятати про фактори, що забезпечують надходження достатньої кількості сонячного світла в теплицю (див. гл. 4), а також її достатню освітленість (див. гл. 7).

888 8 #8 [31813 2Ріст |: Ріст [‚1 - рослин _. 0 їх

Рис. 67. Теплобаланс вікна, орієнтованого на південь, у Гельсінкі в період опалювального сезону

Підвищення теплоізолювальної здатності прозорого покриття. Теплоізолювальну здатність прозорого покриття теплиці можна підвищити двома способами:

• удосконалити конструкцію вікон з тим, щоб поліпшити теплоізоляційну здатність і герметичність наличників, рам і особливо віконного скла;
• закривати вікна на ніч теплоізоляційними матеріалами.

Поліпшення ізоляції вікон. Для виготовлення прозорої огорожі теплиці можна використовувати скління.

Вибір конструктивних рішень скління теплиць

Скло або пластмасу (див. п. 6.1.5) при будівництві рекомендується застосовувати у вигляді подвійних покриттів, теплоізоляційна здатність яких значно вища за традиційні конструкції з одним склом. Щоправда, такі вироби, що належать до типу теплоізоляційного скла, відрізняються високою вартістю, і, швидше за все, з цієї причини в деяких місцях доводиться використовувати огорожі з одним шаром скла.

Накопичений досвід свідчить про те, що герметична віконна конструкція з одним шаром скла дає менше тепловтрат, ніж нещільна конструкція з двома шарами скла. Однак основна проблема віконної конструкції з одним склом пов'язана не з тепловтратами, а з впливом конденсації водяної пари на внутрішній поверхні, в результаті чого вікно стає непрозорим, виникають навантаження, особливо на нижні частини дерев'яних рам, а взимку спостерігається зледеніння вікна.

Якщо теплиця займає всю південну зовнішню стіну будівлі, то зледенілі вікна теплиці надають їй досить непривабливого вигляду. Зледеніння вікон може відбуватися і у вікнах з двома шарами скла, проте це трапляється значно рідше і, як правило, льодом покривається лише частина вікна.

Застосування рухомих теплоізоляційних засобів

За допомогою рухомих теплоізоляційних засобів можна істотно поліпшити теплоізоляційні властивості вікон. Як такі засоби можна використовувати теплоізоляційні шторки, завіски, віконниці або кульки з поліефірної пластмаси. Ці засоби застосовують для конструкції стіни між квартирою і теплицею, коли необхідно поліпшити тепловий режим у житловій кімнаті, або ж у вікнах теплиці з внутрішньої чи зовнішньої сторони, або в проміжку між склом, коли треба забезпечити виграш у тепловому балансі безпосередньо для теплиці.

Рухомі теплоізоляційні засоби можна реалізувати трьома шляхами:

• у вигляді жорстких віконниць і дверей;
• у вигляді вільно переміщуваних шторок, повстяних покривал, завісок, роликових перекриттів;
• у вигляді кульок з пінопласту або подібних матеріалів.

Рис. 68. Схеми теплиць з одно- і двошаровим склінням

Жорсткі віконниці і двері найкраще підходять для відносно невеликих отворів. Найбільш зручно відкривати їх за принципом ковзання, оскільки в цьому випадку для них потрібно мало місця і вони найменше помітні. Герметичність таких конструкцій є критерієм функціональності, в іншому випадку їх теплоізоляційна здатність не буде використана. Зовнішні віконниці, як правило, незручні, оскільки вони складні в експлуатації через кліматичні умови у Фінляндії.

Рис. 69. Жорсткі регульовані теплоізоляційні пристрої а — принцип конструкції, що складається; б — принцип жалюзійної конструкції

Поступаються за теплоізоляційною здатністю, але більш зручні гнучкі конструктивні засоби типу покривал, жалюзі, планкових штор або відкатних екранів. Вони функціонують як додатковий теплоізоляційний матеріал і, крім того, створюють тінь. Якщо забезпечити герметичність цих засобів, особливо знизу і з боків, і здійснити стики внахлест, то їх теплоізоляційна дія відповідатиме застосуванню вікна з додатковим шаром скла.

Зазначені покриття можна обладнати також із зовнішньої сторони теплиці, і в цьому випадку їх експлуатація в кліматичних умовах Фінляндії буде утрудненою. Автори рекомендують використовувати внутрішні конструктивні рішення внаслідок простоти їх використання, попри те, що за допомогою зовнішніх конструктивних теплоізоляційних рішень можна домогтися вищих результатів щодо теплоізоляції.

У США на ринки збуту надійшла система, в якій як теплоізоляційний матеріал використовують поліуретанові (стироксові) кульки. Ці кульки за допомогою повітря подаються в проміжок між двома шарами скла, які вставлені у віконні рами в стіні, на ніч або в хмарну холодну погоду. Система повністю автоматизована, і споживач сам може вирішити, коли теплоізоляція важливіша за сонячне світло для теплиці та всієї квартири. При застосуванні цього рішення теплоізоляційна здатність стіни з вікном дещо поліпшується. Недоліком розглянутої системи є її висока вартість.

Теплоізоляція цокольної частини теплиці. Тепловтрати через підлогу теплиці виявилися набагато меншими, ніж через зовнішню огорожу. Це зумовлено тим, що температура ґрунту вища, ніж температура зовнішнього повітря. Наприклад, у Південній Фінляндії на глибині 2 м температура ґрунту в січні дорівнює --4°С. Температура ґрунту під теплицею ще вища, і якщо виконати ретельну теплоізоляцію цокольної частини, то ґрунт під теплицею починає виконувати функції довготривалого теплоакумулятора.

Дане рішення має як переваги, так і недолік. Здатність теплиці акумулювати тепло зростає, проте тепло, передаючись ґрунту під теплицею, повертається від нього досить повільно. Розглядаючи щодобові коливання температури, коли теплоакумулююча маса підлоги ізольована від ґрунту, можна в період опалювального сезону для умов Фінляндії знайти більш сприятливе рішення. У цьому випадку товщина шару такої маси повинна бути в межах 20 см для бетону в тих місцях, куди потрапляють сонячні промені протягом найбільшої частини світлового дня. Ізоляцію, наприклад листом стироксу товщиною 10 см, розміщують на ущільненому піску, який водночас слугуватиме основою для розміщення теплоакумулюючої маси.

В обох випадках необхідними передумовами є все ж таки хороша теплоізоляція цокольної частини теплиці та проведення протимерзлотних заходів при створенні неглибоких фундаментів.

о, Зменшення охолоджувального впливу вітру. Вітер чинить сильну охолоджувальну дію на теплицю, оскільки він створює різниці тисків, які збільшують тепловтрати, а також інтенсифікує теплопередачу від огородження теплиць шляхом конвекції, у

— о ‚22 тії 2 г Рис. 78. Вплив вітру в

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

Рис. 70. Різні види теплоізолювальних пристроїв; монтаж із внутрішньої сторони Рис. 71. Система теплоізоляції зі стироксовими кульками, які подаються стисненим повітрям зі сховища Рис. 72. Розподіл температур а — під теплицею (дослідження канадського фахівця); 6— у поверхневих шарах ґрунту в Південній Фінляндії

Захист теплиць від впливу вітру

Охолоджувальний вплив вітру залежить від його швидкості. Чим більша швидкість вітру, тим більшими будуть різниця тисків і теплоперенос із поверхонь будівель, що особливо помітно для скляного покриття.

Тому теплицю необхідно захищати від вітру. З північного боку, звідки дмуть найбільш холодні вітри, теплиця захищена житловим будинком.

Для захисту від вітрів інших напрямків можна використовувати:

• садіння дерев;
• низькі конструкції (огорожі, ґратчасті навіси — перголи), що затримують вітер.

При цьому необхідно, щоб вони не перешкоджали проходженню сонячного світла в теплицю.