Расчёт солнечных установок

 

Общие сведения о расчете солнечных установок

Как правило, в доме с пассивным солнечным отоплением одновременно используется несколько типов солнечных систем, например, пристроенная к южному фасаду здания солнечная теплица (оранжерея, зимний сад), южная остекленная теплоаккумулирующая стена Тромба и солнцеулавливающие окна южной ориентации.

При разработке технического задания и эскизном проектировании системы пассивного солнечного отопления учитываются самые общие ограничения, налагаемые на систему следующими факторами:

  • географическое местоположение здания;
  • назначение здания;
  • размеры здания;
  • допустимая стоимость;
  • располагаемые или необходимые материалы.

Последовательность работ:

  1. Эскизная проработка нескольких вариантов системы солнечного отопления, заканчивающаяся выбором предпочтительного варианта.
  2. Разработка детального проекта и принятие решения относительно:
    • расположения комнат;
    • размеров комнат;
    • ориентации здания;
    • выбора материалов;
    • уточнения всех размеров (В результате выполнения этой второй стадии проектирования получается вполне конкретная конструктивная разработка здания. Иногда на этой стадии разрабатываются конкурирующие варианты, например отличающиеся различными архитектурно-планировочными решениями или используемыми строительными материалами, с учетом экономических и теплотехнических факторов. Это та стадия проектирования, на которой принимаются все основные архитектурные и инженерные решения).

Выполнение рабочих чертежей со всеми необходимыми деталями с указанием размеров, материалов, т.е. со всем, что требуется для осуществления строительства здания с системой пассивного солнечного отопления.

Относительная площадь солнцеулавливающих поверхностей в различных климатических зонах может составлять 10...100% площади отапливаемых помещений. При этом за счет использования солнечной энергии обеспечивается обычно определенная доля f (10...80%) тепловой нагрузки отопления и соответственно уменьшается расход теплоты от топливного источника. В случае использования подвижной тепловой изоляции, закрывающей в ночное время лучепрозрачные поверхности, теплопотери здания значительно снижаются и эффективность солнечной системы возрастает в 1,5...2,5 раза.

При расчете систем пассивного солнечного отопления необходимо определить площадь светопрозрачных поверхностей наружных ограждений здания, используемых для улавливания солнечной энергии, и массу теплоаккумулирующих элементов пола, стен, потолка.

Как правило, эти элементы выполняются из бетона, но для аккумулирования теплоты могут также использоваться емкости, заполненные водой. При этом удельные масса и объем теплоаккумулирующих элементов, отнесенные к 1 м2 площади остекленных поверхностей, ориентированных на юг, определяются в зависимости от доли f (%) солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки отопления как

mак = C*f; Vак = Cоб*f

Значения коэффициентов определяются видом теплоаккумулирующего элемента. Так, для емкости с водой

C = 3 кг/(%*м2); Cоб = 0,003 м3/(%*м2)

для бетонной или каменной стены (пола)

C = 15 кг/(%*м2); Cоб = 0,075 м3/(%*м2)

Следует отметить, что величина f практически соответствует процентному снижению расхода теплоты от обычного топливного источника. Так, например, если требуется снизить теплопотребление дома на 40%, что соответствует значению f = 40%, необходимые масса и объем водяного аккумулятора теплоты составят

mак = 120 кг/м2; Vак = 0,12 м32

для бетонной стены (пола)

mак = 600 кг/м2; Vак = 0,3 м32

При f = 10...80% удельный объем Vак, отнесенный к 1 м2 площади солнцеулавливающих поверхностей южного фасада, равен для емкостей с водой

Vак = 0,03...0,24 м32

для бетонной стены (пола)

Vак = 0,08...0,6 м32

Рассмотрим пример оценки массы теплоаккумулирующих элементов дома жилой площадью 120 м2 при условии, что требуется снизить теплопотребление за счет солнечной энергии на 60% и что площадь светопрозрачных поверхностей, улавливающих солнечную энергию, равна 40 м2. Аккумулирование теплоты осуществляется в бетонном полу. В соответствии с приведенными выше данными необходимый удельный объем теплоаккумулирующего бетонного пола составит

Vак = Cоб*f = 0,0075*60 = 0,45 м32

а всего требуется

Vак = 40*0,45 = 18 м3 бетона

Это означает, что пол должен иметь толщину

18/120 = 0,15 м

Необходимым условием эффективного функционирования пассивной системы солнечного отопления является рациональное размещение теплоаккумулирующего элемента, обеспечивающее его облучение Солнцем в течение как минимум 4 ч в день. Для этого он должен быть размещен непосредственно вблизи остекления.

Как должно быть ориентировано здание с пассивным использованием солнечного излучения для отопления?
Наилучшая ориентация здания — южная, однако допускается отклонение фасада здания до 30° к востоку или западу