РОЗРАХУНОК ПАСИВНИХ ГЕЛІОСИСТЕМ ОПАЛЕННЯ
При розробці технічного завдання та ескізному проектуванні пасивної геліосистеми опалення враховуються найзагальніші обмеження, що накладаються на систему такими факторами, як географічне розташування будівлі та її призначення, розміри будівлі, допустима вартість, наявні або необхідні матеріали тощо. Як правило, ведеться ескізна робота кількох варіантів геліосистеми, яка закінчується вибором кращого варіанта. Після цього ведеться розробка детального проекту та приймаються рішення щодо розташування, розмірів кімнат, орієнтації будівлі, вибору матеріалів та уточнення всіх розмірів. Внаслідок виконання цієї другої стадії проектування виходить цілком конкретна конструктивна розробка будівлі. Іноді на цій стадії розробляються конкуруючі варіанти, наприклад, що відрізняються різними архітектурно-планувальними рішеннями або будівельними матеріалами, з урахуванням економічних і теплотехнічних факторів. Це та, стадія проектування, де приймаються всі основні архітектурні та інженерні рішення. Після цього виконуються робочі креслення з усіма необхідними деталями — із зазначенням розмірів, матеріалів, тобто з усім, що потрібне для будівництва з пасивною геліосистемою.
Відносна площа сонцеуловлюючих поверхонь у різних кліматичних зонах може становити 10-100% площі опалювальних приміщень. При цьому за рахунок використання сонячної енергії забезпечується певна частка / (від 10 до 80 %) теплового навантаження опалення та відповідно зменшується витрата теплоти від паливного джерела. У разі використання рухомої теплової ізоляції, що закриває в нічний час променепрозорі поверхні, тепловтрати будівлі значнознижуються та ефективність геліосистеми зростає в 1,5-2,5 рази. При розрахунку пасивних геліосистем необхідно визначити площу світлопрозорих поверхонь зовнішніх огорож будівлі, що використовуються для уловлювання сонячної енергії, та масу теплоакумулюючих елементів підлоги, стін, стелі. Як правило, ці елементи виконуються з бетону, але для акумулювання теплоти також можуть використовуватися ємності, заповнені водою. При цьому питома маса та об'єм теплоакумулюючих елементів, віднесені до 1 м2 площі засклених поверхонь, орієнтованих на південь, визначаються залежно від частки /(%) сонячної енергії у покритті теплового навантаження опалення як так=С/; уак = С0б /. Значення коефіцієнтів визначаються видом теплоакумулюючого елемента. Так, для ємності з водою С—3 кг/(% - м2) та С0с= =0,003 м3/(%-м2), для бетонної чи кам'яної стіни (підлоги) — відповідно 15 та 0,0075.
Слід зазначити, що величина практично відповідає процентному зниженню витрати теплоти від звичайного паливного джерела. Так, наприклад, якщо потрібно знизити теплоспоживання будинку на 40%, що відповідає значенню /=40%, необхідні питомі маса та об'єм водяного акумулятора теплоти становитимуть відповідно 120 кг/м2 та 0,12 м3/м2, а бетонної стіни (підлоги) 600 кг/м2 та 0,3 м3/м2. При /=104-80% питомий об'єм 1>ак, віднесений до 1 м2 площі сонцеуловлюючих поверхонь південного фасаду, дорівнює для ємностей з водою 0,03-0,24 і для бетонної стіни (підлоги) 0,08-0,6 м3/м2.
Розглянемо приклад оцінки маси теплоакумулюючих елементів будинку житловою площею 120 м2 за умови, що потрібно знизити теплоспоживання за рахунок сонячної енергії на 60 % і площа світлопрозорих поверхонь, що вловлюють сонячну енергію, дорівнює 40 м2. Акумулюваннятеплоти здійснюється у бетонній підлозі. Відповідно до наведених вище даних необхідний питомий обсяг теплоакумулюючої бетонної підлоги складе илк = С0^=0,0075-60 = 0,45 м3/м2, а всього потрібно Уак=40-0,45=18 м3 бетону. Це означає, що підлога повинна мати товщину 0,45 м. Необхідною умовою ефективного функціонування пасивної системи опалення є раціональне розміщення теплоакумулюючого елемента, що забезпечує його опромінення Сонцем протягом як мінімум 4 години на день. Для цього він має бути розміщений безпосередньо поблизу скління.
Як має бути орієнтована будівля із пасивним використанням сонячного випромінювання для опалення? Найкраща орієнтація будівлі - південна, проте допускається відхилення фасаду будівлі до 30 ° на схід або захід.
Системи прямого уловлювання сонячної енергії.
Температура зовнішнього повітря взимку Тв, °С Питома площа південних вікон
У стандартному житловому будинку в будинку з покращеною теплоізоляцією.
TOC o "1-5" h z _ю -7-4-12 5 7
0,44 0,4 0,35 0,3 0,26 0,2 0,17
0,32 0,28 0,25 0,2 0,16 0,14 0,12
У деяких будинках передбачено скління частини даху або південної стіни горища, що сполучається з опалювальними приміщеннями.
Приклад 1. Розрахувати площу заскленої поверхні південного фасаду будинку площею 100 м2, необхідну для забезпечення 50% теплового навантаження опалення. Будинок оснащений пасивною системою прямого вловлювання сонячної енергії, що знаходиться в Криму, і його південний фасад не затінюється. Для даного розташування будинку за відносної площі скління, що припадає на 1 м2 житлової площі будинку, що дорівнює 0,18 м2/м2, забезпечується зниження теплоспоживання на 18 % (без застосування теплоізоляції вікон у нічний час) та на 44 % (із застосуванням тепловоїізоляції), а при вок=0,36 м2/м2 відповідно на 24 і 68%. Побудувавши графік лінійної залежності між аок та зниженням теплоспоживання (%), можна знайти таке значення а0к, яке відповідає заданому значенню (50 %) зниження теплоспоживання. Отримуємо аа« = 0,225 м2/м2 у разі використання теплової ізоляції в нічний час. Необхідна площа скління дорівнює Аок - Оок ^ підлога = 0,225-100 = 22,5 м2.
Кількість сонячної енергії, пропущеної через вікно всередину приміщення за певний проміжок часу (година, день), визначається кількістю сонячної енергії, що надходить на вертикальну поверхню в даній місцевості з урахуванням орієнтації та можливого затінення вікна, а також його пропускною здатністю. У табл. П2 наведено значення добових кількостей сонячної енергії Е, що надходить на горизонтальну поверхню, і Пр, пропущеної через вікно у вертикальній стіні різної орієнтації в ясний день для 21 числа кожного місяця на широті 40-56 ° с. У цьому величина Епр віднесено до 1 м2 площі вікна.
З урахуванням теплопередачі через вікно загальна кількість сонячної енергії (МДж/дн), пропущеної через один день, визначається за формулою
Фост = 1^пр ^зат К (^в ^н)1 ^ок>
Де £пр - кількість пропущеної сонячної енергії, МДж/м2 на день; Кеат * - Коефіцієнт затінення вікон (табл. 6); К-коефв-
Таблиця 6. Коефіцієнт затінення при товщині скла 3 мм