Ефективне акумулювання сонячної енергії в конструкціях сучасних теплиць

У довгій, зверненій на південь теплиці рівномірне освітлення не настільки важливе, як у невеликій теплиці, де призначена для вирощування рослин площа мала і треба використовувати кожен куточок. У глибоких теплицях важливо перевірити, наскільки інтенсивно проникають сонячні промені, для вузьких теплиць це не настільки суттєво.

Якщо в теплиці використовується будь-яка маса для накопичення сонячної енергії (водойми, камені, мішки з сіллю тощо), то обов’язкова умова «корисної роботи» таких мас полягає в тому, щоб у теплицю потрапляло сонячне випромінювання, особливо в холодну пору року, з 9 до 15 год. Усе це можна врахувати при проектуванні, якщо користуватися сонячними картами.

Рис. 50. Вплив покриття теплиці на надходження сонячного

Рис. 51. Деякі економічні форми теплиць

5. Акумулювання теплової енергії

Звичайна оранжерея або теплиця при великій поверхні заскленої огорожі погано акумулює сонячну енергію, насамперед через незадовільні характеристики її теплоізоляції та герметизації. Для підтримки температури, необхідної для росту рослин, потрібна додаткова енергія на опалення. Наприклад, звичайна оранжерея або теплиця, що функціонує цілий рік, витрачає приблизно в 10 разів більше енергії, ніж невеликий індивідуальний будинок.

Теплиця, заглиблена в житлову квартиру, має природний захист з одного, а нерідко і з трьох сторін. Тепловтрати в житлових приміщеннях частково використовуються теплицею. При раціональному будівництві як теплоакумулятор може використовуватися маса, що міститься в конструкції зовнішньої стіни житлового будинку. У теплиці є сприятливі можливості для акумулювання та створення запасів теплової енергії, що вельми важливо в умовах суворого північного клімату Фінляндії.

Вплив збільшення теплоакумулюючої маси. Вплив теплоакумулюючої маси на температуру повітря в теплиці та на утилізацію сонячної енергії можна легко виявити шляхом порівняння двох теплиць. В одній із цих теплиць немає теплоакумулюючої маси, у другій теплиці теплоакумулюючу здатність збільшено внаслідок зведення задньої стінки теплиці з цегли або бетону. У теплиці, що не має теплоакумулюючої маси, спостерігається сильне коливання температури повітря вдень і вночі. При цьому максимальна температура приблизно о 15 год, а найнижча — рано-вранці, перед сходом сонця. При розміщенні теплоакумулюючої маси в теплиці різниця між денною та нічною температурами повітря значно зменшується — нічна температура підвищується, а денна знижується. У нічний час теплоакумулююча маса віддає теплоту, накопичену вдень, а вдень вона служить охолоджувачем, тобто поглинає теплоту. Цю теплоакумулюючу масу краще було б назвати теплокомпенсатором. У теплиці, що має таку масу, час досягнення максимальної температури змістився на 2—3 год. Більш рівномірний розподіл температури в теплиці в різний час доби суттєво покращує умови для росту рослин, а також збільшує її експлуатаційні можливості.

Розміщення теплокомпенсатора в теплиці та квартирі. Сонячне випромінювання проникає крізь прозоре покриття теплиці й потрапляє на стіни та підлогу, а при спрямованому випромінюванні — на стелю. Головним чином від кольору цих поверхонь залежить, яка частка сонячної енергії, що надходить, поглинається і яка — відбивається. Темні поверхні добре поглинають короткохвильове випромінювання і мало відбивають, світлі діють навпаки, дзеркальні поверхні відбивають майже все світло, що падає на них.

Теплова енергія, що утворюється з поглинутого сонячного випромінювання, частково передається теплоакумулюючій масі, а частина, що залишається, переходить від поверхні маси до інших поверхонь і звідти — за допомогою конвекції — у повітря, підвищуючи одночасно температуру повітря.

Таблиця 5.1. Форми теплопередачі в приміщенні

—ыы= І. Поверхня Конвекція (довгохвильова) о Підлога 46 54 Стіна 40 60 Стеля 30 70

Рис. 53. Температура в теплиці сонячного будинку «Аурінкопірттітало» (суцільна лінія) і зовні (штрихова лінія) в м. Лайхіа у 1981-1982 рр. (типовий будинок за проектом фірми «Екосо»)

Рис. 54. Вплив кольору на поглинання короткохвильового сонячного випромінювання 1 — чорний; 2 — червоний і синій; 3 — жовтий; 4 — білий; 5 — дзеркало. Відбите сонячне випромінювання перетворюється на теплову енергію тільки в тому разі, якщо воно падає на поверхню якого-небудь предмета або будівельної конструкції. Якщо матеріал, на який надходить відбите випромінювання, характеризується низькою теплоакумулюючою здатністю або низькою теплопровідністю (наприклад, меблі, дощаті стіни тощо), то він нагрівається вельми швидко, і теплота переходить у повітря, внаслідок чого може статися його перегрів, з яким доводиться боротися за допомогою вентиляції.

Ефективність використання прямого сонячного випромінювання можна підвищити двома способами:

шляхом поглинання прямого сонячного випромінювання й акумулювання теплової енергії безпосередньо тією масою, на яку падають сонячні промені;

шляхом розсіювання сонячного випромінювання в усіх напрямках, де наявна будь-яка теплоакумулювальна маса.

Пряме сонячне випромінювання. При застосуванні першого способу виявляють ті ділянки теплиці та житлової квартири, на які падає первинне сонячне випромінювання у певні проміжки часу, наприклад між 9 та 15 год. Як допоміжні засоби можна використовувати розроблену Гуннаром Плейелем тіньову модель (див. п. 4.6.2), а також інсографіки та інсолятори. На підлозі та стінах моделі позначають ділянки, на які потрапляє пряме сонячне випромінювання у різні місяці. Ці ділянки доцільно на етапі проєктування покривати матеріалами темного кольору, що мають хорошу теплоакумулювальну здатність. Такий матеріал повинен, окрім того, мати здатність сприймати теплову енергію з тим, щоб якомога більша частина теплоти, що накопичилася на його поверхні, могла перейти в цю масу, а не в повітря.

Розсіяне випромінювання. Сонячне випромінювання, що потрапляє в теплицю або крізь неї у квартиру, можна розсіювати за допомогою покриття з відповідного скла або поліетилену, а також шляхом застосування шорсткої поверхні білого кольору. Від цієї поверхні світло відбивається в усі боки і потрапляє на

інші маси, якими воно й поглинається. Перевагою цього рішення є те, що всі маси на-

гріваються рівномірно, і температура на їхній поверхні не підвищується до настільки великих значень, як на поверхні стін, матеріал яких поглинає сонячне випромінювання безпосередньо. Застосування розсіювальних напівпрозорих покриттів сприятливе також і для рослин, оскільки світло падає на них рівномірно, і сонячні промені не викликають «згоряння» рослин. Недолік застосування таких покриттів полягає в тому, що вони не зовсім прозорі для світла — навколишній простір видно крізь них, як у тумані.

Розміщення теплоакумулювальних мас. Розміри ділянок у теплиці, на яких можна розмістити будь-яку теплоакумулювальну масу, вельми обмежені. Більша частина стін, а часто і даху теплиці оснащені прозорим для світла покриттям, основна ж частина поверхні підлоги відведена для вирощування рослин. Тому для інших цілей залишається лише невелика частина поверхні підлоги та частина задньої стіни, в якій зазвичай обладнані також вікна і двері. Ці ділянки необхідно якомога ефективніше використовувати для накопичення та створення запасів теплової енергії. Для розв'язання цього завдання треба, щоб на теплоакумулювальні маси, розміщені на вказаних ділянках, падало пряме сонячне випромінювання протягом більшої частини світлового дня. Таким чином, ці маси будуть виконувати функції накопичувачів сонячної енергії та теплоакумуляторів. Розміщену таким чином масу називають первинною масою. Залежно від властивостей первинної маси передача теплоти від неї відбувається приблизно на відстань до 200 мм. Від вторинної маси, яка не піддається безпосередньому впливу сонячних променів або головним чином залишається в тіні, передача теплоти здійснюється на відстань 80—100 мм. Тому для вторинної маси потрібна площа поверхні у 2—3 рази більша, ніж для первинної.

При розміщенні теплоакумулювальних мас і виборі матеріалів треба відповісти на такі запитання:

що потрібно забезпечити теплом насамперед — квартиру чи приміщення теплиці?

яким чином можна з максимальною ефективністю використовувати як теплоакумулятори будівельні матеріали, що застосовуються при зведенні будинку?

скільки місця можна надати для розміщення теплоакумулювальної маси і яким чином це розміщення вплине на використання площі теплиці?

яким чином при проєктуванні конструкції розділової стіни, в якій передбачені розсувні теплоізолювальні покриття з обох сторін, забезпечити їх максимальну ефективність?

і якими є витрати на їх реалізацію? яким чином здійснюється це конструктивне рішення на практиці і чи довго буде служити ця конструкція? як прийняте конструктивне рішення впливає на зовнішній вигляд теплиці та квартири?

У Швеції у Вищому технічному училищі Чалмерса були досліджені різні системи, в яких сонячна енергія, накопичена в теплиці або заскленій веранді, використовувалася для опалення квартири. На рис. 56 представлені два альтернативні варіанти розміщення теплоакумулювальних мас.

У першому варіанті (система 1) така маса розміщується як у теплиці, так і в квартирі, жалюзі опущені, і теплота акумулюється в масі, розміщеній у теплиці. Температура в квартирі підтримується нижче рівня 20°С, і добове енергоспоживання дещо більше, ніж у другому варіанті (система 2), відповідно до якого повітря, розігріте в теплиці, піддають примусовій циркуляції за допомогою вентиляторів через наявні в

Рис. 55. Розміщення теплоакумулювальних мас у теплиці та житлових кімнатах. 1—2 — первинна маса розміщена в теплиці, при цьому вона в першу чергу забезпечується теплотою; 3—4 — первинна маса розміщена як у теплиці, так і в житлових кімнатах; у цьому випадку теплотою забезпечуються всі приміщення: 5—7 — вторинна маса розміщена в квартирі; теплотою забезпечуються квартира і теплиця; теплопередача здійснюється з використанням механізмів; 8 — вторинна маса розміщена в теплиці; теплотою забезпечується в першу чергу теплиця, теплопередача механізована; 9—10 — первинна маса розміщена між теплицею і квартирою, при відповідному положенні рухомого щита теплоізоляції теплотою можна забезпечувати в першу чергу або квартиру, або теплицю. Добова витрата енергії на опалення, кВт.год.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Рис. 56. Дослідження систем опалення квартир, заснованих на використанні накопиченої сонячної енергії. Дослідження проводилися із застосуванням програми «a1» (ВИД) (Ретіборе). 1 — теплоакумулювальна маса розміщена в теплиці і в квартирі, жалюзі опущені; 2 — теплоакумулювальна маса розміщена тільки в квартирі, теплопередача з використанням вентиляторів, жалюзі опущені. У квартирі — бетонні плити з порожнинами. При цьому забезпечується інтенсивний перехід теплової енергії розігрітого повітря в матеріал залізобетонних плит, у результаті чого підвищується температура повітря в квартирі, хоча енергоспоживання при цьому зменшується.

Теплоакумулювальні властивості різних матеріалів. Теплоакумулювальна здатність будівельних матеріалів залежить від їхньої теплоємності та різниці температур. Як загальне правило можна зазначити, що чим більша щільність даної речовини, тим більша її теплоакумулювальна здатність. Важкі речовини, як правило, відрізняються також і хорошою теплопровідністю.

Таблиця 5.2. Теплоакумулювальна здатність і теплопровідність деяких матеріалів:

Речовина | Відносна маса | Теплоакумулювальна здатність | Теплопровідність, Вт/(м·°С)

Вода | 1000 | 1,16 | 0,55

Сталь | 7850 | 1,00 | 45,3

Природний камінь | 2940 | 0,58 | 1,43

Бетон | 2300 | 0,53 | 1,65

Суцільна цегла | 1800 | 0,46 | 0,66

Гравій, пісок | 1600 | 0,37 | 0,39

Ґрунт | — | 0,25 | 0,85

У невеликих теплицях, де площа розміщення теплоакумулювальних мас обмежена, доцільно використовувати речовини, що мають здатність до фазових перетворень. На ринках збуту є така продукція в упакованому вигляді — пакети товщиною в кілька сантиметрів, які можна вмонтувати в стіну, а в межах квартири — також і в підлогу. Перевагою таких матеріалів є їхній невеликий об'єм, зумовлений високою теплоакумулювальною здатністю (наприклад, у 6 разів більшою, ніж у каменя). Недоліком їх є висока вартість. Більш економічне рішення полягає у використанні як теплоакумуляторів таких матеріалів, які одночасно служать будівельним матеріалом конструкцій підлоги або стіни. Безкоштовним теплоакумулювальним матеріалом є тільки вода. При її використанні певні витрати йдуть лише на встановлення ємностей та обладнання басейну.

Вплив поверхні теплоакумулювальної маси. Колір використовуваної первинної теплоакумулювальної маси справляє вирішальний вплив на частку сонячної променистої енергії, що поглинається матеріалом. Для вторинної теплоакумулювальної маси одним із найважливіших факторів є структура поверхневого шару, оскільки значна кількість теплоти, що утворюється, переходить у нього через повітря (шляхом конвекції). При цьому залишається справедливим правило: чим більш грубо оброблена поверхня, тим більше в неї перейде теплової енергії. Довгохвильове теплове випромінювання добре поглинається майже всіма будівельними матеріалами.

Таблиця 5.3. Здатність різних матеріалів поглинати короткохвильове і довгохвильове випромінювання

Речовина | Короткохвильове сонячне випромінювання | Довгохвильове випромінювання

Вода | 0,94 | 0,95—0,96

Бетон | 0,60 | 0,88—0,97

Пісок | 0,82 | 0,90

Червона цегла | 0,55 | 0,92

Товщина елемента з теплоакумулювальної маси. При використанні в нічний час накопиченої за день сонячної теплової енергії глибина проникання теплоти в масу, наприклад за 8 світлових годин, визначається її товщиною. Залежно від виду первинного теплоакумулювального матеріалу товщина його в будівельній конструкції може змінюватися від 150 до 250 мм. Такі конструктивні елементи, як підлога і стіни, можуть бути і більшої товщини, якщо будівельні конструкції мають хорошу теплопровідність. Тим самим забезпечується досягнення кращої теплоакумулювальної здатності. На рис. 57 показані добові коливання температури для конструкцій з бетону і цегли. З рисунка видно, яка кількість маси бере участь у процесі акумулювання теплоти.

Теплоакумулятори з різних матеріалів. Традиційні будівельні матеріали. Теплоакумулювальна здатність бетону і цегли не дуже висока, проте ці матеріали все ж можуть служити як первинна маса, тобто, в загальних рисах, працювати так само, як природні камені. Особливо це стосується бетону, що має достатню теплопровідність і непогані теплоакумулювальні властивості. Бетон широко використовується в конструкціях підлоги і стін. Бетонні стіни можуть бути виготовлені серійно на заводі у вигляді блоків або монолітними на місці будівництва. Оптимальна товщина бетонної стіни становить 200—250 мм для первинної теплоакумулювальної маси і близько 100 мм — для вторинної маси. Для цегляної стіни відповідні товщини становлять 130—150 і 80 мм. На практиці це означає, що кладка цегляних стін проводиться на половину товщини цегли або підлога споруджується з бетонних плит товщиною 120 мм, які потім покривають цеглою на плашку.

Водяні теплоакумулятори. Як такі теплоакумулятори можна використовувати різні ємності, що застосовувалися раніше для інших цілей — посудини з-під гасу і фарб, бочки, а також недорогі пластмасові або металеві ємності. Поверхня таких посудин повинна бути темною, щоб забезпечувалося хороше поглинання сонячних променів. Зафарбовуючи такі ємності темно-сірою, чорною і темно-червоною корозійно-стійкою фарбою, можна домогтися їхнього привабливого зовнішнього вигляду, що немаловажливо, оскільки теплиця є частиною житлових кімнат. При розміщенні посудин з водою в теплиці важливо пам'ятати про те, щоб максимально можлива частина їхньої поверхні була в межах досяжності сонячних променів. Якщо використовують великі ємності, то треба зробити так, щоб повітря могло огинати їх з усіх боків, оскільки накопичена теплова енергія повинна потім назад перейти в теплицю. Басейни з водою добре функціонують як на-

4 - коливань температури при зміні 1, т дня і ночі для бетону (а) і цегли (б) 0.5 01 - 5 10 20 3 “ Товщина теплоакумулю- 6 руючої маси, см х - 1,0 05 \. Рис. 58. Ємності заводського виготовлення, що використовуються для акумулювання теплоти --1-- 1-3 к 1— баки місткістю 10 л;.2— о; 4 бачки з-під фарби, гасу тощо місткістю 200 л: 8 —

10 20 30 Товщина теплоакумулю- руючої маси, см `^ поліетиленовий мішок; 4— бу-

тиль (3 л); 5 — каністри з жерсті (5 л)

Накопичувачі сонячної енергії в теплицях

Накопичувачі сонячної енергії. Падаюче на них сонячне випромінювання поглинається майже повністю, якщо внутрішні поверхні басейну мають чорний колір. Однак при цьому виникають проблеми, пов'язані з випаровуванням води, оскільки цей процес супроводжується втратами великої кількості енергії (відбувається охолодження води).

При випаровуванні 1 л води витрачається така кількість теплової енергії, якої достатньо для нагрівання 100 л води на 6°С. Ця кількість теплоти, своєю чергою, звільняється при конденсації вологого повітря на холодних поверхнях. Поява вологи несприятлива для приміщень і зумовлює необхідність вентиляцій, що пов'язано з втратами теплової енергії. Тому рекомендується обладнати такий басейн прозорим поліетиленовим укриттям для зменшення тепловтрат і запобігання випаровуванню води.

Використання ємностей для акумулювання тепла

Найбільш доцільний спосіб акумулювання теплової енергії у воді полягає у використанні заповнених водою бочок, покритих прозорими кришками або поліетиленовою плівкою для запобігання випаровуванню води. Недолік такого рішення полягає в тому, що найбільш тепла область розташовується вгорі, а найбільш холодна — на дні бочки, внаслідок чого теплоакумулююча здатність води буде використана відносно погано.

Для утилізації теплоти, що виходить від бочок, на них розміщують різні рослини, при цьому має бути забезпечена вільна циркуляція повітря і теплоти в навколишньому просторі.

При використанні як теплоакумулятори ємностей менших розмірів практично повністю запобігається температурне розшарування води. До того ж ємності менших розмірів можна розмістити в теплиці компактніше і тим самим заощадити корисну площу для відпочинку та вирощування рослин.

Основна особливість водяних теплоакумуляторів полягає в тому, що у великих теплоакумулюючих ємностях тепло зберігається довше, проте воно повільніше передається різним шарам маси води. Невеликі ємності завдяки великій теплопередавальній поверхні швидко реагують на зміну умов, що корисно, наприклад, у разі перегріву. Зате вони швидко віддають накопичене тепло, що вельми небажано в холодні ночі.

Чорнозем як теплоакумулятор. Використання чорнозему для акумулювання теплоти

Рис. 61. Первинна теплоакумулююча стіна, споруджена з жерстяних каністр, являє собою найбільш дешевий і простий спосіб обігріву теплиці. На жаль, цей спосіб малоефективний, оскільки акумулювання теплоти землею без використання будь-яких пристроїв дає гірші результати, ніж це можна очікувати, виходячи з теплоакумулюючої здатності ґрунту. Причиною цього є наявність у приміщенні теплиці рослин, які покривають найбільшу частину площі, призначеної для їх вирощування.. Кам'яні теплоакумулятори. Ці теплоакумулятори також виявилися відносно малоефективними. Кам'яний теплоакумулятор можна розмістити безпосередньо в теплиці, розташувавши природні камені, наприклад, біля задньої стіни або під теплицею. При укладанні каменів перед задньою стіною необхідно стежити за тим, щоб товщина їх шару була невеликою і сонячні промені досягали поверхні всіх каменів. Камені можна розмістити по всій поверхні стіни за допомогою сітки або замурувати в стіну, що додає їй вельми гарний зовнішній вигляд, проте все це вимагає великих трудовитрат.

, Рис. 62. Кам'яний теплоакумулятор; камені складені 1: біля задньої стіни і прикріп- Рис. 68. Відносна зміна температури повітря в бетонній плиті з конструктивними порожнинами як функція довжини цих порожнин. Об'ємні потоки: 200 м3/год=4 м/с; 100 м3/год=2 м/с; 50 м3/год=1 м/с

Якщо використовувати кілька рядів каменів, то необхідно застосування вентилятора. Промиті камені в цьому випадку слід укласти так, щоб залишити проміжки між ними для проходу повітря, точно так само, як і при розміщенні кам'яного теплоакумулятора під підлогою теплиці. Якщо такий теплоакумулятор призначений для короткочасного використання, то розмір каменів має бути невеликим. З досвіду експлуатації такого теплоакумулятора можна сказати, що найкращий результат у цьому випадку забезпечують камені округлої форми діаметром 30—50 мм. Передача теплоти каменям все ж таки не дуже ефективна. Досвід, отриманий у Фінляндії та Швеції, показав, що тільки одна третина або половина каменів (з усього числа взятих) бере участь в акумулюванні теплоти. Порівняно з бетонними плитами, що мають конструктивні порожнини та забезпечують участь 80—90 % маси плит в акумулюванні теплоти, кам'яний теплоакумулятор відносно менш ефективний. |

Рис. 64. Експериментальний будинок ЗНЕО в Шеффілді (Англія), архіт. Цедрик Грін. Поперечний розріз та принцип дії

1 — кут висоти сонця в березні; 2 — тепле повітря, що піднімається в теплиці; 3 — горизонтальний повітряний канал із тиристорним регулюванням; 4 — вертикальні теплоакумулятори в проміжку між вікнами; 5 — вентилятор, який засмоктує тепле повітря і нагнітає його через підлоговий теплоакумулятор у теплицю; 6 — пряме сонячне випромінювання; 7 — повітря, що повертається; 8 — підставка для витких рослин, які створюють влітку тінь; 9 — люки з ручним приводом

Конструкції з порожнинами. Для ефективного передавання теплоти в цегляну або блочно-бетонну стіну з конструктивними порожнинами треба використовувати вентилятор. У пустотних бетонних плитах, наприклад на довжині 6 м, масі бетону може передаватися залежно від швидкості подавання теплого повітря приблизно половина теплоти. Бетон майже повністю бере участь у процесі акумулювання теплоти завдяки відносно невеликій товщині плити та густій мережі пус-