Енергообмін та механізми накопичення тепла в тепличних конструкціях

Природні енергетичні потоки в теплиці

Завдяки наявності прозорої огорожі (скла) в теплиці забезпечується можливість акумулювання більшої частини енергії сонячного випромінювання, що надходить. Короткохвильове сонячне випромінювання відносно безперешкодно проникає крізь скло залежно від його товщини та чистоти поверхні. Скло пропускає електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі 0,3—2,4 мкм. У цій області спектра зосереджена найбільша частина сонячної енергії, зокрема сюди входить область видимого світла з довжиною хвилі 0,35—0,75 мкм (див. п. 2.1). Майже половину випромінювання становить видиме випромінювання, а іншу половину — інфрачервоне. _

При потраплянні сонячного випромінювання на рослину або на темну поверхню воно перетворюється на теплову енергію з довжиною хвилі близько 19 мкм (область довжин хвиль теплового випромінювання становить 4—50 мкм). Більшість матеріалів, за винятком деяких сортів органічного скла, не пропускає це випромінювання, воно поглинається поверхневим шаром, нагріваючи його. |

Теплова енергія, що отримується різними поверхнями всередині теплиці, поглинається матеріалами, а деяка частина цієї енергії відбивається або передається повітрю, створюючи конвекцію в приміщенні. Таким чином, виникають природні потоки енергії, що прагнуть привести систему в рівноважний стан. Потоки теплової енергії спрямовуються через замкнуту і прозору зовнішню оболонку в навколишній простір — у повітря або в ґрунт. Теплова енергія передається також предметам і матеріалам, що мають знижену температуру, тобто теплова енергія акумулюється цими матеріалами.

Зазвичай потрібно зменшити поширення теплового потоку в бік зовнішнього повітря і далі в навколишній простір. У теплицю надходить більше теплової енергії, ніж виходить назовні, внаслідок чого температура в ній піднімається, тобто забезпечується досягнення «тепличного ефекту» для рослин.

3.2. «Пасивні» рішення, засновані на використанні природних факторів

На рис. 17 показано, що теплова енергія передається шляхом випромінювання або конвекції. Як відомо, повітря при нагріванні піднімається вгору, а при охолодженні опускається вниз, внаслідок чого в теплиці і житловому будинку виникають теплові потоки. Якщо відомі фізичні основи походження цих теплових потоків, то можна вирішити проблему опалення, не вдаючись до використання невідновлюваних джерел (електроенергії, різних видів палива).

Нижче наведено кілька способів накопичування сонячної енергії в теплиці та створення її запасів за допомогою спеціальних пристроїв.

Підлога теплиці як теплоакумулятор. Сонячне випромінювання, проникаючи в теплицю і потрапляючи на темну кам'яну поверхню підлоги, нагріває її. Частина теплової енергії внаслідок виниклої конвекції та теплового випромінювання передається в простір теплиці (головним чином її внутрішньому повітрю), і нагріте повітря переходить у квартиру через відкриті вікна і двері. Частина теплової енергії (залежно від абсорбційної здатності та теплоакумулюючих властивостей підлоги) акумулюється матеріалом підлоги. Вночі тепло передається назад у квартиру і в теплицю внаслідок теплового випромінювання, що виходить від матеріалів підлоги, і наступної конвекції.

Рис. 17. Природні енергопотоки в теплиці при індивідуальному будинку в холодний сонячний день (хвилясті стрілки — довгохвильове теплове випромінювання)

Рис. 18. Теплова енергія акумулюється в масі підлоги. приміщення теплиці або квартири.

3.2.2. Стіна теплиці як теплоакумулятор. Сонячні промені, потрапляючи на зведену з каменю темну задню стіну теплиці, нагрівають її. Як і в попередньому випадку, теплова енергія передається частково матеріалу стіни і частково — повітрю теплиці. Нагріте повітря піднімається вгору і через відкритий люк потрапляє в квартиру, де частина теплової енергії акумулюється підлогою, стінами і стелею.

Рис. 19. Теплова енергія акумулюється матеріалом стіни теплиці або квартири (позначення ті ж, що на рис. 18)

У нічний час ця теплова енергія переходить у повітря квартири і теплиці.

Теплоакумулюючу стіну теплиці можна обладнати ще й світлопроникним покриттям, що забезпечує більш ефективний збір теплової енергії та опалення квартири. Таке конструктивне рішення називають «сонячною стіною».

Басейн або чорнозем як теплоакумулятор. Суть цього дешевого конструктивного рішення полягає в тому, щоб забезпечити ефективний розігрів води або чорнозему шляхом відповідної орієнтації сонячного нагрівача. Оскільки вода володіє хорошою теплоакумулюючою здатністю, вона може прийняти більшу кількість теплової енергії, а чорнозем — відповідно меншу.

Рис. 20. Теплова енергія акумулюється в масі води або

“— басейн з водою; б — ґрунт або акумулятор теплової енергії

Використання басейну є несприятливим для опалення теплиці при індивідуальному житловому будинку. Випаровування води супроводжується великими втратами тепла та підвищує вологість повітря, що може призвести до дискомфорту в житлових приміщеннях. Це рішення можна застосувати в тому випадку, якщо басейн буде обладнаний світлопроникним покриттям.

Ізольовані теплоакумулювальні пристрої. Аналогічно описаним вище способам теплову енергію можна акумулювати в темній посудині з водою, теплових ємностях або мішках з глауберовою сіллю і т. д. У нічний час теплота передається повітрю в теплиці, а вдень — також повітрю житлових приміщень. ^

4? Рис. 21. Теплова енергія акумулюється масою окремих тіл, розташованих у теплиці: а — бочки з водою, каністри, банки тощо; б — каміння, укладене впритул до стіни; в — каміння, укладене вільно; г — мішки з сіллю (теплоакумулятор, що працює на основі використання явища фазових переходів)

Природна циркуляція (сонячні накопичувачі та кам’яний теплоакумулятор). Вдень повітря інтенсивно нагрівається за допомогою сонячних накопичувачів, які розташовані в нижній частині теплиці.

ний під підлогою, повітря охолоджується. Вночі повітря, нагріте в сонячному накопичувачі, піднімається вгору і захоплює за собою більш холодне повітря з кам’яного теплоакумулятора. Таким чином виникає природна циркуляція повітря, що забезпечує передачу теплоти із сонячного накопичувача в теплоакумулятор або через систему люків прямо в}

Ц о о Зоо. б Оо [2

Рис. 22. Накопичувач сонячної енергії та система акумулювання цієї енергії, що працює на використанні природної циркуляції.

а — кам’яний теплоакумулятор у вигляді купи каміння під підлогою теплиці; б — кам’яний теплоакумулятор у вигляді купи каміння під підлогою теплиці та квартири теплицю або в квартиру. Замість кам’яного теплоакумулятора можна використовувати бетонні плити з порожнинами або інші пристрої.

3.3. «Напівактивні» інженерні рішення, засновані на застосуванні механічних пристроїв

За допомогою вентиляторів та регулювальних пристроїв можна ефективніше керувати потоками повітря порівняно із системами, що діють з використанням природної циркуляції. Це особливо помітно в тих випадках, коли повітря доводиться пе-

4— 293 | | 49 реміщувати на значні відстані в напрямку, протилежному природному, наприклад вниз або через теплоакумулювальний пристрій, що має великий опір, який можна подолати тільки шляхом використання механічного пристрою. Такі системи, що забезпечують накопичення сонячної енергії в теплиці та подачу нагрітого повітря за допомогою вентиляторів у теплоакумулювальний пристрій або в житлові кімнати, нерідко за термінологією, прийнятою в США, називають «напівактивними», або «гібридними», системами.

Дослідження показали рентабельність застосування вентиляторів, оскільки це дозволяє накопичувати великі запаси сонячної енергії та відповідно використовувати її. Наприклад, англійський дослідник Седрик Грін у результаті проведених експериментів та розрахунків установив, що в подібній системі з одним вентилятором при достатніх акумулювальних можливостях можна утилізувати приблизно на 30 % більше дарової сонячної енергії, ніж у системі з природною циркуляцією повітря без теплоакумулятора.

Простий спосіб опалення квартири полягає у використанні нагрітого в теплиці повітря за допомогою повітряної опалювальної системи. В опалювальний період свіже повітря для цієї системи можна брати з теплиці, де повітря попередньо прогрівається. Крім того, тепле повітря, що потрапляє в квартиру через двері, вікна або люки, можна охолоджувати за допомогою теплорозподільних каналів, розташованих під підлогою, і, таким чином, використовувати підпілля будинку як теплоакумулятор.

Інший спосіб опалення квартири полягає в тому, що тепле повітря за допомогою системи повітряного охолодження спрямовують далі, наприклад через бетонні плити нижньої або проміжної підлоги будинку, в результаті чого теплову енергію можна акумулювати безпосередньо в конструкції, звідки вона вночі, а також наступного дня (якщо він хмарний) передається в житлові кімнати.

Нижче описано кілька раціональних рішень із використанням вентиляторів.

Басейн або ґрунт як теплоакумулятор. Повітря, нагріте вдень за допомогою сонячного випромінювання

Рис. 24. Теплота накопичується в кам’яному теплоакумуляторі за допомогою вентиляторів, розташованих під підлогою:

• а — кам’яний теплоакумулятор під теплицею, відкрита циркуляція повітря;
• б — кам’яний теплоакумулятор під теплицею та квартирою, відкрита циркуляція повітря;
• в — кам’яний теплоакумулятор під підлогою квартири, закрита циркуляція повітря.

Рис. 25. Теплота акумулюється в бетонних плитах із внутрішніми порожнинами:

• а — теплиця з легких конструкцій, для конструкції підлоги квартири використані бетонні плити з порожнинами;
• б — масивна стіна в теплиці, конструкція підлоги квартири виконана з бетонних плит із порожнинами;
• в — сонячна (теплоакумулювальна) стіна в теплиці, конструкція стелі та підлога квартири виконані з бетонних плит із порожнинами.

Принципи роботи систем теплообміну в теплицях

Кам'яний теплоакумулятор під теплицею або квартирою. Тепле повітря нагнітається через повітропровід на дно кам'яного теплоакумулятора, звідки воно самостійно проходить між окремими каменями, охолоджується і повертається назад у теплицю.

В іншому рішенні повітря з житлових кімнат засмоктується через кам'яний теплоакумулятор у теплицю, де воно нагрівається і повертається в житлові кімнати. Така система добре функціонує пізньої осені та на початку весни, коли вологість повітря в теплиці залишається низькою. У період, коли систему необхідно активно зрошувати, у квартирі можуть виникнути проблеми через високу вологість повітря.

Теплота повертається в житлові кімнати шляхом випромінювання та конвекції. З кам'яного теплоакумулятора, розташованого під підлогою приміщення теплиці, вона надходить у теплицю за допомогою вентиляторів. Тепле повітря з верхньої частини теплиці продувають через канали та отвори в бетонних плитах із порожнинами або в інших конструкціях теплиці.

Існує кілька альтернативних варіантів принципових рішень, викладених вище; деякі з них наведені в гл. 9.

Простір теплиці як частина індивідуального житла

Крім функціональних і фізичних чинників, архітектурні та будівельно-технічні рішення теплиць при індивідуальних будинках значною мірою залежать від типу будівлі, наприклад, від її розміру, поверховості, часу побудови тощо. На вибір ефективного рішення істотний вплив справляють також особливості та характер навколишнього середовища — форма і пересіченість місцевості, навколишня забудова, затіненість.

Теплиця при індивідуальному будинку. На рис. 26—29 наведено конструктивні рішення теплиць при індивідуальних будинках різного типу.

У невеликих одно- та двоповерхових індивідуальних будинках існують різні варіанти компонування теплиць. Такі теплиці надають житловим будинкам індивідуального характеру, проте за своєю конструкцією вони мають бути підпорядковані основному архітектурному рішенню будівлі.

Представлені тут альтернативні рішення відображають типові випадки. Однак існують і інші рішення, вибір яких визначається конкретними обставинами.

В архітектурному відношенні теплиця являє собою природне продовження форм будівлі, і будувати її необхідно з урахуванням будівельних матеріалів та колірних відтінків будинку. При стикуванні теплиці з існуючим індивідуальним будинком зовнішнє оформлення нерідко викликає труднощі, і доводиться вдаватися до допомоги фахівця (архітектора). Теплиця повинна стати не випадковою прибудовою, а гармонійною частиною індивідуального будинку.

Теплиці в багатоповерхових будинках. Проживання в багатоповерхових будинках, особливо в нових приміських мікрорайонах, виявилося для мешканців несприятливим і викликало їхнє незадоволення. Це зумовлено як недоліками району забудови та планування квартир, так і відсутністю комфорту. Найчастіше квартири тісні, прилеглі до них зовнішні приміщення, якщо вони взагалі є, нерідко малі за розміром і недостатньо захищені від вітру. Дитячі ігрові майданчики часто не задовольняють звичайним вимогам. Як правило, повністю відсутні функціональні приміщення для молоді та приміщення для занять за інтересами для дорослих.

Будівництво багатоповерхових будинків забезпечило ефективне використання ділянок землі. Практично завжди це відбувалося за рахунок погіршення природних умов і зниження якості житла. Тому не дивно, що багато мешканців, які проживають у багатоповерхових будинках, почуваються тимчасовими мешканцями і мріють переселитися в невеликі індивідуальні будинки десь поблизу. Проживання в невеликих індивідуальних будинках вони пов'язують із досягненням незалежності, благополуччя в сімейному та особистому житті, можливістю докласти своїх зусиль для покращення умов життя, отриманням індивідуального дворика, забезпеченням безпеки тощо. Для багатьох такі надії залишаються нездійсненними мріями, проте вони свідчать про те, що в новобудовах потрібно впроваджувати нововведення, особливо в тих районах Фінляндії, де проживають близько 30 % населення країни.

Будівництво теплиць при багатоповерхових будинках має сприяти покращенню умов життя в мікрорайонах. Це дає населенню додаткову житлову площу та надає мешканцям можливість займатися улюбленою справою.

Теплиці в нових багатоповерхових будинках. Багато хто вважає, що теплиці можна створювати тільки в сільській місцевості, а в міських умовах це застосовно лише до невеликих будинків. Однак це не так. Теплиці можна влаштовувати також у квартирах у багатоповерхових будинках, де вони утворюють індивідуальну або колективну зовнішню площу, на якій можна займатися рослинництвом або проводити вільний час. Нижче подано деякі рекомендації щодо реалізації цієї ідеї.

Рис. 26. Конструктивні рішення плит при невеликих індивідуальних будинках а — нові індивідуальні будинки; 6—9 — рішення, прийнятні для нових і старих індивідуальних будинків

Теплицю необхідно розмістити на сонячній стороні будинку (див. гл. 4), де забезпечується інсоляція переважно з лютого по листопад. Площа тепли-

3%. 55. там ово че У

Рис. 27. Конструктивні рішення теплиць при індивідуальних будинках різних типів із щільною забудовою ділянки ці доцільно збільшити до розмірів, більших, ніж у звичайних балконів. Підходящою слід вважати площу в межах 10—20 м?, щоб можна було розмістити стіл і стільці, а також відвести місце для вирощування рослин. При розташуванні житлової площі на рівні землі теплицю можна влаштувати дещо заглибленою в житловий будинок. При проектуванні теплиць треба уточнити, як змінюються кути падіння сонячних променів на вертикальні та горизонтальні площини, а також при зміні дня і ночі та пір року. Влітку, коли сонце розташоване високо на небосхилі, необхідно забезпечити затінення і передбачити достатню кількість вентиляРис, 28..Приме дуальному будинку

Бозе фо в бара в ма вое ноь кт

Рис, 29. Прибудова теплиці при старому індивідуальному будинку

Рис. 80. Багатоповерховий будинок горищно-коридорного типу, в якому широкі балкони переобладнані в побутові теплиці

Рис. 81. Теплиці в багатоповерховому будинку з одно- та двоповерховими квартирами ційних люків для зміни повітря як у теплиці, так і в житлових кімнатах.

Найчастіше теплиця являє собою одноповерхове приміщення глибиною 2—3 м. У деяких типових багатоповерхових будинках із квартирами у двох рівнях висота теплиці може бути досить великою.

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

Рис. 32. Багатоповерховий будинок, у якому теплиця розташована на

В одному з вдалих рішень більш вузький балкон розташовується вздовж суміжної зі спальнею або приміщеннями лазні стіни (на верхньому поверсі) і забезпечує бажану затіненість влітку. Теплиця функціонує:

як накопичувач сонячної енергії та сприяє опаленню квартири за рахунок надходження безкоштовної сонячної теплоти та зниження тепловтрат. У сонячний день, коли квартира швидко перегрівається (в умовах Фінляндії це відбувається тільки влітку), теплиця ефективно функціонує як охолоджувач квартири. Якщо крім вентиляційних кватирок у верхній частині для забезпечення зв'язку з прохолодною стороною будинку:

(північний захід — північ — північний схід), то можна створити повітряні потоки, в яких вихідне назовні прогріте повітря захоплює за собою більш прохолодне.

Рис. 38. Загальна дворова ділянка із заскленим дахом при багатоповерхових житлових будинках (поперечний розріз та перспектива)

Одне з цікавих рішень обладнання теплиці в багатоповерховому будинку полягає в розміщенні її на даху такого будинку. У такий спосіб досягається не тільки наближення до природи, а й можливість отримання сонячного світла в густо забудованих мікрорайонах, а також у житлових будівлях з несприятливою орієнтацією. Це рішення цілком застосовне і до старих будинків. _ о

У теплиці можна займатися як індивідуальним вирощуванням рослин на окремих ділянках, так і колективним рослинництвом на відносно великих площах. Діти в такому приміщенні можуть гратися цілий рік, особливо в холодну пору року і в дощову погоду. Якщо шибки, що б'ються, у таких приміщеннях замінити на небиткі з органічного скла, принаймні в найбільш небезпечних місцях, то така теплиця стає безпечною і придатною.

Температура повітря в теплиці завжди вища за температуру зовнішнього повітря. Цю особливість можна використовувати, наприклад, при обладнанні вентиляційної системи, яка забезпечує подачу в житлові приміщення повітря, попередньо нагрітого в теплиці, замість подачі безпосередньо холодного зовнішнього повітря. Таким чином досягається суттєва економія енергії в багатоповерховому будинку, де більше половини теплоти нерідко втрачається через вентиляційні пристрої. На рис. 33 показано варіант використання як теплиці загального двору двох або чотирьох будинків, обладнаного скляним дахом. Це простір не опалюється. Усі вхідні двері відчиняються у двір, де є багато місця для відпочинку та різних видів діяльності мешканців. Природно, такі умови сприяють спілкуванню мешканців між собою, оскільки критий двір об'єднує їх і залучає.

Теплиці в старих багатоповерхових будинках. Для створення теплиць у старих багатоповерхових будинках потрібне лише прозоре покриття зі звичайного або органічного скла (наприклад, акрилового або полікарбонатного, див. гл. 6), що встановлюється на місці світлового отвору лоджії. Якщо ущільнити герметично закриті частини, місця стиків, наприклад поручні та бічні стінки, то це запобігає утворенню протягів і забезпечує отримання невеликого захищеного й освітленого приміщення. Можливості використання такого приміщення набагато кращі, і тривалість експлуатації його в 2—3 рази більша, ніж звичайного балкона. У таких теплицях можна займатися вирощуванням розсади та декоративних квітів у банках і горщиках, наскільки дозволяють розміри балкона.

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

Рис. 35. Балкони розширюються і обладнуються скляним укриттям

5— 293 65 Щоправда, у багатьох багатоповерхових будинках, побудованих у минулі роки, балкони вельми тісні, особливо за глибиною.

Для створення подібного заскленого зовнішнього приміщення не потрібно великих витрат — його можна побудувати самотужки. У вже існуючому приміщенні треба тільки обладнати захисне укриття з прозорого матеріалу і забезпечити досить інтенсивну вентиляцію. Одна з переваг такого заскленого приміщення полягає в тому, що комарі літнього вечора залишаються зовні. Захисні сітки встановлюють перед вентиляційними отворами, які влітку найчастіше залишаються відкритими. У багатьох блочних багатоповерхових будинках відсутні квартири в цокольному поверсі. На цьому поверсі можна обладнати велике приміщення теплиці, де мешканці можуть разом висаджувати рослини або розподілити ділянки між собою. Легкі прозорі конструкції теплиць чутливі до ударного впливу каміння, м'ячів, предметів, що падають зверху, і т. д., тому тут можливі випадки хуліганства. Однак така можливість існує всюди, де не створені умови для розумного дозвілля молоді.

завдяки влаштуванню теплиць можна домогтися істотного поліпшення зовнішнього вигляду мікрорайону з багатоповерховою забудовою. Найчастіше блочні багатоповерхові будинки, побудовані в останні 15 років, вельми одноманітні, позбавлені індивідуальності. Розміщення в них теплиць з віконними рамами, виступами і рослинами при гарному виконанні може помітно поліпшити зовнішній вигляд будівель і вдихнути життя в сірі похмурі будинки.