Пасивні сонячні системи

Пасивні системи є більш простими і дешевшими в порівнянні з активними, тому що не потребують додаткових пристроїв поглинання, перетворення та розподілу сонячної енергії. Пасивне використання енергії сонця з метою опалення будинків відбувається за рахунок архітектурно-проектувальних і конструктивних рішень.

Різні методи проектування й будівництва будинків, обладнаних пасивними системами, можуть бути розділені на п'ять основних системних типів: пряме накопичення; стіна-теплонакоплювач;

домашній солярій; дах-теплонакоплювач; конвекційна система висхідних потоків. Кожна з цих систем представлена сукупністю
компонентів, кожний із яких виконує окрему функцію, необхідну для ефективної роботи в цілому.

Всі пасивні системи включають п'ять взаємозалежних основних компонентів: колектор, абсорбер, накопичувач, розподільник і

регулятор.

Колектор складається з прозорого чи напівпрозорого скла, вставленого в раму з виходом на зовнішню сторону будинку. Колектор може бути розміщений вертикально, як у вікнах, так і під нахилом (у даху).

Абсорбер - це твердий матеріал, поверхня якого пофарбована в темний колір і піддається впливу сонячного світла, що проникає через колектор. Абсорбер перетворює сонячне випромінювання в теплоту, що виділяється в приміщенні чи накопичується.

Накопичувач - це матеріал, що може утримувати тепло протягом дня чи більш тривалого проміжку часу. Маса матеріалу прямо пропорційна його теплоємності, і тому такий будівельний матеріал для житлових будинків, як цегла з великою масою, є хорошим накопичу в ач ем. Оскільки накопичувачі досить повільно віддають теплоту, це дозволяє підтримувати постійну температуру в житлових приміщеннях. У деяких випадках матеріали-накопичувачі можуть бути використані для охолодження, поглинаючи надлишок теплоти з житлового приміщення і тим самим охолоджуючи його. Розміри накопичувача визначають, виходячи з властивостей його матеріалу і кількості теплоти, що надходить через колектор, який розташований у кімнатах (чи примикає до них) для їхнього обігріву чи охолодження. Часто функції накопичувача й абсорбера з’єднуються одним матеріалом, наприклад цегельна підлога або стіна.

Розподільник служить для передачі накопиченої теплоти або прохолоди в конкретні приміщення. Розподіл може відбуватися природним шляхом за допомогою переміщення повітря в приміщенні чи за рахунок теплового випромінювання від стін. Роль розподільника можуть виконувати насоси і вентилятори, подаючи тепле чи охолоджене повітря за призначенням.

Регулювання призначене для теплорозподілення чи нагромадження теплоти в пасивній системі. Існують три типи регулювальних компонентів:

- шторні пристосування, що зменшують надходження сонячного світла через скло-колектор;

- рефлектори, що збільшують надходження сонячного

випромінювання через колектор;

- знімні теплоізолюючі пристрої, що зменшують надходження

теплоти через колектор у приміщення, що примикають.

Конкретна форма і властивості матеріалів для кожного з

компонентів варіюються залежно від типу системи.

Система прямого накопичення

З усіх пасивних солярних систем система прямого накопичування є, можливо, найпростішою. Весь будинок може бути розглянутий як колектор сонячного тепла. Система прямого накопичення - система нагрівального типу, що використовується переважно у вологих і помірних кліматичних зонах.

Ця система ефективно реалізується при виконанні таких умов:

- оптимальна орієнтація будинку - уздовж осі схід-захід із

відхиленням не більше 30° від цієї осі;

- на південній стороні будинку повинно бути зосереджено не менш 50-70 % сумарної поверхні усіх вікон, а на північній - не більше 10%;

- південні вікна повинні мати двошарове засклення, а північні - тришарове;

- внутрішнє планування приміщень повинне забезпечувати розташування житлових кімнат із південної сторони будинку, а допоміжних приміщень - із північної.

В опалювальний сезон протягом світлового дня сонячне світло надходить у будинок через південні вікна, скляні двері, верхні віконця, тобто через усі колектори. Сонячне випромінювання акумулюється та зберігається елементами інтер'єру. У будинках прямого накопичення елементами накопичувача й абсорбера є насамперед підлоги і стіни (рисунок 4.2.18), хоча й стелі та інші елементи, наприклад меблі, теж можуть бути спроектовані таким чином, щоб накопичувати тепло в приміщенні. На рисунку 4.2.18 стрілками вказано, де використані масивні, пофарбовані в чорний колір поверхні з підсиленою теплоізоляцією для поглинання й накопичення сонячної теплоти. Часто компоненти накопичення виконують конструкційну функцію, наприклад як несуча стіна. Розподіл теплоти по будинку, в принципі, не є вирішальним елементом прямого накопичення, тому що теплота накопичується в тому місці, де потім і використовується. Теплота поширюється за
рахунок природної конвекції (переміщення) звичайно з однієї кімнати в іншу через двері і сходову клітку.

Рисунок 4.2.18 - Пряме накопичення сонячного випромінювання: а) основна система; б) вікно у фонарі для прямого нагрівання задньої стінки

В будинку прямого накопичення кількість теплоти контролюється різними типами компонентів. Протягом світлового дня компоненти, що відбивають сонячні промені, звичайно зв'язані з компонентами колектора, можуть бути розміщені на зовнішній частині будинку, щоб збільшити кількість сонячного світла, що надходить у будинок. Компоненти, що відбивають сонячне світло, збільшують ефективність роботи колектора, не збільшуючи його корисної площі і відшкодовуючи його втрати теплоти.

Вночі теплоізолюючі компоненти варто розташувати так, щоб запобігти відходу теплоти через колектори. Ці переносні компоненти можна змонтувати на колекторі поза приміщенням чи всередині нього. Часто відбивні компоненти виконують подвійну функцію, тому що ввечері вони закривають і теплоізолюють колектор.

В період року, коли опалення не обов'язкове, колектор прямого накопичення варто затемнювати для контролю сонячного випромінювання, що надходить до нього. Недостатнє затемнення колектора може призвести до перегріву приміщення, збільшити навантаження на систему охолодження. Для більшої ефективності компоненти, що затемнюють, установлюються зовні для „перехоплення” сонячного світла до його проходу через колектор. Внутрішні затемнювачі, такі, як жалюзі, теж можуть бути досить ефективними для відбивання більшої частини прямих чи розсіяних сонячних променів, хоча вони теж можуть накопичувати деяку

кількість теплоти. Знімні теплоізолюючі компоненти також можуть використовуватися для блокування сонячного випромінювання і зменшення накопичування теплоти в літній період.

Стіна-теплонакоплювач

У цій системі накопичувальні компоненти розміщуються між колектором і простором житлового приміщення. Сііна - теплонакоплювач виконує типову конструкційну функцію на додаток до функції компонента системи накопичення і використовується для додаткового обігріву приміщень в областях з помірною чи суворою зимою.

Під час опалювального сезону сонячне випромінювання, проходячи через вікно-колектор, абсорбується й накопичується стіною. Нагріте між ними повітря може відразу ж надходити до житлового приміщення, якщо в стіні є вентиляційні отвори (стіна Тромба), чи певний час залишатися між колектором і стіною - теплонакоплювачем. В обох випадках стіна буде виділяти теплоту в житловий простір протягом дня й вечора. Принциповий вигляд стіни Тромба подано на рисунку 4.2.19.

8_

Рисунок 4.2.19 - Вигляд стіни Тромба: 1 - масивна конструкція стінної огорожі; 2 - отвір для циркуляції повітря; 3 - повітряний прошарок; 4 - засклення; 5 - перфорований прошарок, що зменшує перегрів приміщення протягом дня; 6 - теплосприйнятлива поверхня; 7 - фрамуга для вентиляції приміщення в літній період; 8 - заглушка для попередження небажаної циркуляції повітря; 9 - вхід холодного повітря з приміщення; 10 - вхід нагрітого повітря в приміщення

2

9_

8_

Оскільки вентиляційні отвори в стіні Тромба виконують функцію розподілу, компоненти розподільника не є основними для будь-якого типу стіни-теплонакоплювача. В деяких випадках нагріте повітря з простору між колектором і стіною-теплонакоплювачем надходить у внутрішні житлові приміщення, але це не є особливістю роботи системи, й цього слід по можливості уникати.

Функціонування стіни-теплонакоплювача, як і роботу системи прямого накопичення, можна регулювати компонентами контролю. Під час опалювального сезону рефлектор збільшує кількість сонячного світла, що потрапляє на стіну, а у вечірній час теплоізолюючі компоненти можуть бути поміщені чи між накопичувачем і колектором, чи зовні для зменшення тепловтрат. У теплий час року надходження в приміщення сонячного світла повинне контролюватися затемненням компонентів колектора та накопичувача. Компоненти затемнення ефективніше працюють, якщо розміщені зовні, але також їх можна встановлювати між колектором і стіною-теплонакоплювачем. При правильному використанні знімні теплоізолюючі компоненти, що контролюють у нічний час опалювального сезону розсіювання теплоти з житлових приміщень, можуть бути задіяні й у літній період для зменшення накопичення теплоти. Для кращого охолодження повітря між колектором і накопичувачем компоненти останнього можуть мати вентиляційні отвори назовні. Частково це ефективно в областях, де температура опускається нижче температури в приміщенні. Вентиляція приміщення прохолоджує стіну-теплонакоплювач у вечірній час, дозволяючи їй поглинати теплоту з повітря вдень і зменшувати потребу в охолодженні. Приклад використання стіни Тромба в житловому будинку фірми „Concept Construction” наведено на рисунку 4.2.20.

Рисунок 4.2.20 - План (а) та поперечний переріз (б) південної стіни

житлового будинку:

1 - стіна Тромба; 2 - подвійне засклення; 3 - житлова кімната;

4 - вхідний тамбур; 5 - сходи наверх; 6 - сходи вниз; 7 - їдальня;

8 - кухня; 9 - спальня; 10 - холодне повітря; 11 - нагріте повітря;

12- теплоізолююча штора

Домашній солярій (домашня геотеплиця)

Домашні солярії являють собою відгороджені засклені приміщення, здебільшого прибудови до будинку. Це, як правило, підсобні приміщення, де збирається і накопичується теплота для безпосереднього наступного використання чи надходження в простір житлового приміщення. Сонячна енергія, що акумулюється солярієм, використовується для нагрівання як його самого, так і простору, що примикає до нього. Способи накопичення й розподілу енергії в солярії ґрунтуються на п’ятьох окремих підсистемах солярію, що значно відрізняються за конструкцією, формою основних компонентів і виконуваних операцій. Це відкрита стіна, пряме накопичення, повітрообмін, сііна-теплонакоплювач, дистанційне накопичення. В опалювальний сезон сонячне світло, потрапляючи в солярій через широкий пластиковий чи скляний колектор, що виходить на південь, абсорбується елементами солярію і перетворюється в теплоту. Усі підсистеми солярію задіяні в тому
самому процесі, різниця лише в їхній роботі та місці розташування накопичувальних, розподільних і регулювальних компонентів, чим ці підсистеми значно різняться.

На рисунку 4.2.21 наведено схему житлового будинку з зимовим садом, який примикає до житлового будинку з північної сторони.

Рисунок 4.2.21 - Схема житлового будинку з геотеплицею 1 - зимовий сад (оранжерея); 2 - засклення “стіни Тромба”; З - теплоізоляція; 4 - засклення (вікно); 5 - теплоізолюючі ставні; 6 - гравійний акумулятор теплоти; 7 - підсобні приміщення з північної сторони; 8 - теплоакумулююча бетонна плита

В будинок через стіну буде надходити не більше ЗО % кількості сонячної енергії, що падає на засклення теплиці. Для максимального уловлення сонячного випромінювання передня стінка теплиці повинна бути нахиленою залежно від широти місцевості. Для центральних районів України кут нахилу повинен становити 50-60°. При наявності у теплиці скляного даху він повинен мати нахил до горизонту на 25-30°.

У теплий час року солярій (геотеплиця) може іноді перегріватися. Регулювання сонячної енергії, що надходить, за допомогою заслінок і вентиляції - необхідна умова правильної роботи системи. В кліматичних зонах, де температура вночі опускається нижче рівня комфорту, обсяг солярію часто використовують для накопичення

холоду, тим самим зменшуючи навантаження на систему охолодження вдень.

Дах-теплонакоплювач

З назви цієї системи випливає, що теплонакоплювач (звичайно вода чи цегельна кладка) розташований на даху будинку. Він сформований настилом даху (з металу чи бетону), що служить стелею для житлових приміщень і передає теплоту з поверхні даху на стелю приміщення. Розташування і принцип дії накопичувального компонента роблять дах-теплонакоплювач придатним типом пасивної системи для посушливої кліматичної зони, де він працює і як охолоджувач, і як обігрівач (рисунок 4.2.22).

Рисунок 4.2.22 - Дах-накоплювач: 1 - світлопрозоре огородження; 2 - стіна-теплоприймач; З - теплоізолюючий променевідбивний екран; 4 - металева ванна; 5 - теплоізолюючий зсувний екран

Протягом дня компонент накопичення направлений до неба й нагрівається безпосередньо від Сонця. Теплота накопичується й повільно передається на стелю житлового приміщення. Надходження теплоти в приміщення може бути комбінованим, для цього додатково можуть використовуватися як пряме накопичення, так і стіна Тромба.

В нічний час і при довгій похмурій погоді використовуються знімні теплоізолюючі екрани для прикриття компонента накопичення і зменшення розсіювання теплоти в холодне нічне повітря.

З усіх основних пасивних систем дах-теплонакоплювач, імовірно, є найбільш ефективним засобом охолодження. Протягом теплого часу року в регіонах з великими перепадами температур, де небо по ночах безхмарне, накопичувач за ніч прохолоджується. Вдень втрати холоду, що накопичуються, можна контролювати за допомогою знімних теплоізолюючих компонентів, розташованих над накоплювачем, для забезпечення теплоізоляції й екранування (накоплювальний компонент поглинає теплоту з простору житлових приміщень та ефективно прохолоджує в них повітря). Вночі теплоізоляція знімається, і цикл повторюється щодня.

Місце розташування накоплювального компонента потребує дуже міцної конструкції даху. Зокрема, якщо компонентами накопичення є матеріали з великою питомою вагою, такі, як вода чи цегла, вантажонесучий ресурс даху і стін повинний бути дуже великим. Такі модифікації житлових будинків дорого коштують, що обмежує популярність цього типу пасивної системи.