Использование солнечной энергии в строительстве зданий

В. А. Турулов, канд. техн. наук, инженер-строитель

Многие считают, что панорамное остекление способствует использованию солнечной энергии для пассивного обогрева и естественного освещения зданий. Это не совсем так даже при применении современных светопрозрачных ограждений с повышенными теплозащитными свойствами. Следует признать, что большие окна в зданиях, строящихся в холодном климате России, требуют весьма значительных эксплуатационных энергетических затрат и дают несколько сомнительный психо-эмоциональный эффект.

Рациональнее сократить площадь окон до минимально допустимого значения и стены совместить с гелиоколлектором. Такая конструкция ограждений может использовать энергию солнечной радиации в многоэтажных зданиях. Здание с таким фасадом будет иметь высокие теплозащитные свойства и энергоэффективные показатели. При этом будет создана имитация сплошного остекления, к чему стремятся многие архитекторы. Кроме того, фасад здания с гелиоколлектором может иметь различную цветовую гамму за счет окраски теплопоглощающей пластины коллектора. Конструктивно имеется возможность также изменять фактуру плоскости фасада. При различном плоскостном расположении светопрозрачного элемента коллектора создается интересный эффект кристаллической поверхности.

Комплексные исследования гелиоактивных стен

В институте по проектированию учреждений здравоохранения ГИПРОНИИЗДРАВ более 10 лет, начиная с 1982 года, проводились комплексные исследования¹, включающие теоретические и натурные испытания гелиоактивных стен с использованием их в проектной практике [1]. Проведенная работа подтвердила перспективность строительства зданий, особенно многоэтажных, с применением наружных стен, сочетающих два функциональных направления – теплоизоляцию и теплоснабжение – за счет энергии солнца.

При проведении теоретических исследований (Б. В. Хрустовым, канд. техн. наук, отдел НИР ГипроНИИздрав Минздрава СССР) была создана математическая модель нестационарного теплового поведения конструкции, включающая светопрозрачные слои, теплоприемную пластину, воздушный теплосъемный канал, воздушные прослойки и теплоизоляционные слои (рис. 1).

Рисунок 1. Расчетная схема наружного ограждения

На основе теоретических исследований были организованы многолетние натурные павильонные испытания четырех типов образцов с различными коллекторными пластинами. Испытания проводились в летние и зимний периоды, при этом создавался естественный (пассивный) и принудительный (посредством вентилятора) режимы движения воздуха в теплосъемном канале коллектора. Изучалось влияние скорости и массового расхода воздуха в теплосъемном канале и оценивалась эффективность конструкций гелиоколлектора, сезонное теплоэнергетическое «поведение» гелиоактивных стен.

Было обращено особое внимание на теплозащиту и теплоустойчивость стен с гелиоколлектором в летний период, учитывая, что установка гелиовоздухонагревателей (ГВН) на поверхности наружных стен способствует повышению теплового потока, направленного в помещение. Данные свидетельствуют, что амплитуда колебаний температуры внутренних поверхностей традиционных конструкций и гелиоактивных стен с одинаковой теплоизоляцией практически совпадают. Однако за счет большего поглощения солнечной энергии и меньшего оттока тепла во внешнюю среду из-за установки светопрозрачных покрытий среднесуточные значения температур внутренней поверхности стен несколько выше. Такая особенность теплопередачи улучшает теплозащитные качества стены с коллектором в зимний период и несколько ухудшает летом по сравнению с обычными стенами, что требует дополнительной теплоизоляции.

Рекомендации по проектированию наружных стен с гелиовоздухонагревателям

По материалам теоретических и натурных исследований разработаны рекомендации по проектированию наружных стен зданий с ГВН.

1. Конструктивное решение наружных стен с ГВН характеризуется обязательным применением в их структуре слоев светопрозрачного покрытия, поглощающего элемента, замкнутых воздушных прослоек, теплосъемного канала и теплоизоляции. Наличие неоднородных по условиям теплообмена конструктивных элементов обусловливает дифференцированный подход к рассмотрению процессов теплопередачи в каждом из них.

2. В зависимости от условий внешней среды при эксплуатации гелиовоздухонагревателей могут быть предусмотрены следующие воздушные режимы функционирования теплосъемного канала коллектора:

• замкнуто-активный, при котором в период облучения солнечной радиацией поглощающей поверхности теплосъемный канал принудительно вентилируется, а в остальное время суток эксплуатируется закрытым (режим устанавливается зимой в ясные дни);
• замкнутый, при помощи затворов канал трансформируется в замкнутую воздушную прослойку (режим устанавливается в зимний период в пасмурную погоду);
• открыто-активный, при котором в период облучения солнечной радиацией коллекторной поверхности теплосъемный канал принудительно вентилируется, в другие часы суток для уменьшения теплопритока в помещения предусматривается естественная циркуляция воздуха в канале (режим используется в летний период);
• открытый, обеспечиваемый естественной вентиляцией теплосьемного канала и используемый при отказе системы принудительной вентиляции (режим предусматривается в летний период для уменьшения теплопоступлений через ограждения в помещения).

3. Функциональное двойное назначение ГВН определяет необходимость:

• энергетической эффективности гелиовоздухонагревателя и теплозащитных свойств ограждения, значения которых зависят от климатических воздействий, конструктивных характеристик, архитектурно-планировочных решений зданий и режима эксплуатации коллектора;
• дополнительных требований к гелиоактивным стенам, поскольку в процессе их эксплуатации возможна поломка светопрозрачного покрытия коллектора, что ведет к нарушению гидравлического режима течения воздуха в коллекторе и, как следствие, к снижению тепловой эффективности всей гелиосистемы и ухудшению теплозащитных свойств ограждения. В этом отношении гидравлически более устойчивы конструкции с самостоятельным теплосъемный каналом;
• учета большого числа факторов, влияющих на теплоэнергетическую эффективность конструкции, основными из которых являются расход воздуха в гелиоколлекторе, форма и селективность поглощающей поверхности, соотношение длины и ширины теплосьемного канала, ориентация ГВН, физические свойства светопрозрачных слоев и их количество, теплотехнические свойства материала теплоизоляции, температура воздуха, подаваемого в гелиоколлектор.

4. Отличительной особенностью ГВН по сравнению с традиционными наружными стенами являются повышенные требования к теплоизоляции, что связано с увеличением теплового потока, направленного в помещение в летний период за счет более высокого уровня температур в ограждении и уменьшения стока тепла во внешнюю среду из-за использования светопрозрачных покрытий.

5. Конструктивные решения ГВН по типам гелиовоздухонагревателей можно разделить на группы с однополостным и многополостным теплосъемными каналами. В группе с однополостным каналом выделяются коллекторы с внешней и внутренней теплопоглощающей поверхностью; группа многополостных коллекторов включает конструкции с объемным и плоским теплопоглощением.

6. В конструкциях с теплосъемным каналом с внешней коллекторной поверхностью исключен контакт нагреваемого воздуха с холодным светопрозрачным покрытием, что повышает их тепловую эффективность. Наиболее прост в изготовлении коллектор с теплосъемным каналом с плоским поглощающим элементом.

7. Некоторое усложнение имеет конструкция коллектора с установкой специальных элементов, что интенсифицирует теплосъем за счет турбулизации воздушного потока в канале.

8. Использование гофрированных поглощающих поверхностей позволяет наиболее эффективно улавливать солнечную энергию и увеличивает площадь контакта нагреваемого воздуха с поглощающей пластиной. Несмотря на сложности в изготовлении и трудности при монтаже, связанные с герметизацией стыков, использование гофрированных поглощающих поверхностей увеличивает КПД гелиовоздухонагревателя по сравнению с другими коллекторами такого типа.

9. Наибольшей тепловой эффективностью обладает группа конструкций многополостных гелиоколлекторов с объемным поглощением, которые наряду с высокой способностью улавливать солнечную энергию, как правило, реализуют объемный теплосъем и значительно активизируют конвективный теплообмен.

10. Форма поглощающей поверхности коллектора в значительной степени влияет на эффективность преобразования солнечной энергии. Так, КПД гелиовоздухонагревателей с поглощающими элементами в виде пластины с турбулизаторами, гофрированной поверхностью и жалюзийной решетки в среднем на 10, 20 и 15 % выше по сравнению с плоским поглощающим элементом.

11. Увеличение отношения коэффициента поглощения коллекторной поверхности к ее степени черноты в 8–10 раз способствует повышению КПД гелиовоздухонагревателя на 10–15 %.

На преобразование солнечной энергии существенно влияет окраска коллекторной поверхности, которая определяет ее коэффициент поглощения. При этом зависимость КПД от поглощающей способности практически прямо пропорциональна.

12. Увеличение отношения длины теплосъемного канала к его ширине позволяет получить теплоноситель более высокого температурного потенциала, однако это сопровождается снижением КПД. Так, при изменении этого отношения от 50 до 200 температура воздуха на выходе увеличивается на 10–20 °C, а КПД уменьшается почти на 10 %.

13. В случае отказа системы принудительной вентиляции с целью защиты помещений от перегрева необходимо обеспечивать возможность беспрепятственной естественной циркуляции воздуха в канале.

14. Светопрозрачное покрытие способствует снижению теплопотерь гелиовоздухонагревателя, одновременно являясь фактором, уменьшающим поступление солнечной радиации на коллекторную поверхность. Многослойные светопрозрачные конструкции эффективны при большой разности температур воздуха на входе гелиоколлектора и наружной среды. При разности этих температур до 40 и расходах воздуха выше 0,02 кг/(м•с) различие КПД одно-, двух- и трехслойного светопрозрачного покрытия не превышает 5 %. При вентиляции теплосъемного канала наружным воздухом целесообразно принимать однослойное остекление коллектора.

15. Высокий уровень температур в ГВН по сравнению с традиционными наружными стенами обусловливает повышенные требования к теплозащитным свойствам ограждения. Установка гелиовоздухонагревателей на поверхности наружных стен способствует повышению теплового потока, направленного в помещение. Такая особенность их теплопередачи улучшает теплозащитные качества ограждения в зимний период и ухудшает летом по сравнению с обычными ограждениями.

16. Перед определением параметров теплоизоляции устанавливаются расчетные режимы вентиляции гелиоколлектора.

17. Обьемно-планировочное решение здания должно формировать развитую площадь облучаемого фасада, что обеспечивает более вытянутая форма. Так, при южной ориентации гелиоактивного фасада поступление солнечной радиации при соотношении ширины к длине 1:1 и 1:5 отличается на 30 %.

Опыт проектирования гелиозданий

На основе рекомендации по проектированию наружных стен зданий с ГВН в Ташкенте было спроектировано и начато строительство Кардиологического центра.

Расчет тепловых процессов с помощью нестационарной теплопередачи в ограждении в режиме принудительной вентиляции теплосъемного канала в холодный период и естественного в теплый период установил, что в климатических условиях Ташкента в течение года теплопроизводительность гелиоколлектора колеблется в широких пределах, достигая максимального значения в октябре – 330 Вт/м² и минимального в декабре – 140 Вт/м².

Сумма полезной энергии за сутки по месяцам отличается в 2,3 раза и составляет максимальное значение в июле – 5,7 МДж/м² и минимальное в декабре – 2,2 МДж/м². В течение года максимальный КПД достигает 50,9 и средний 39,3 %. Температура воздуха в теплосъемном канале коллектора в зимний период составляет 29–34°C, а в летний 66–68 °C.

Кардиологичемкий центр в г. Ташкенте (архитекторы: Х. А. Мукольянц, А. Л. Быков; инженеры: Г. Ф. Панков, Ю. И. Беленький)

Расчеты показали, что в здании полезное тепло можно использовать для горячего водоснабжения Кардиологического центра с апреля по октябрь.

Исследования подтверждают, что совмещение наружных стен зданий с гелиоколлектором в условиях России является, несомненно, перспективной технологией, особенно на Дальнем Востоке и значительной территории Сибири.

Литература

1. Турулов В. А. Гелиоактивные стены зданий. М., 2011.
2. 2. Оболенский Н. В. Архитектура и солнце. М., 1988.

¹ Под руководством автора, В. А. Турулова, в то время начальника отдела НИР ГипроНИИздрав Минздрава СССР. – Прим. ред.