Поступающая через остекление солнечная радиация поглощается частью поверхностей отапливаемых помещений дома или отражается на другие внутренние поверхности.
Теплоаккумулятор из бочек с водой в подвале солнечного дома в Боксборо
Энергия, поглощённая поверхностью, передаётся внутрь материала путём теплопроводности.
Содержание
- Температура теплоаккумулятора
- Поглощательная способность материала
- Эффективность
- Размещение теплоаккумулятора
Температура теплоаккумулятора
Увеличение температуры теплоаккумулирующих элементов, вызываемое поглощением солнечной энергии, может быть приближённо определено по формуле:
Δt = Qпогл/VC' где,
Qпогл
Количество поглощённой энергии, Дж
V
Объём теплоаккумулирующего элемента, м³
C'
Удельная объёмная теплоёмкость материала, Дж/(м³*°C)
Поглощательная способность материала
Поглощательная способность поверхности зависит от материала, из которого она сделана, и её цвета.
При падении солнечных лучей по нормали к поверхности поглощательная способность α различных материалов имеет следующие значения:
- бетон — 0,6;
- красный кирпич — 0,68;
- гранит — 0,55;
- песчаник — 0,54;
- черепица — 0,69;
- древесина (сосна) — 0,6.
Поглощательная способность α зависит также от цвета поверхности:
- белый — 0,18;
- жёлтый — 0,33;
- темно-красный — 0,57;
- коричневый — 0,79;
- серый — 0,75;
- чёрный (матовый) — 0,96;
- светло-зелёный — 0,5;
- тёмно-зелёный — 0,88.
Эффективность
Эффективность пассивных систем солнечного отопления существенно зависит от массы теплоаккумулирующих элементов и их размещения в здании.
Увеличение суммарной теплоёмкости солнцеулавливающих теплоаккумулирующих элементов, отнесённой к 1 м² площади остеклённых поверхностей здания, повышает эффективность пассивной системы прямого улавливания солнечной энергии до определённого предела.
При C = 175–225 Вт*ч/(м²*°C) график зависимости эффективности системы от общей теплоёмкости стремится к горизонтальной линии, то есть достигается максимальная эффективность.
Минимальная масса теплоаккумулирующих элементов соответствует значению суммарной теплоёмкости C, отнесённой к 1 м² площади остеклённых поверхностей, пропускающих солнечную энергию внутрь здания, равному 175 Вт*ч/(м²*°C).
При больших значениях массы теплоаккумулирующих элементов вся или почти вся уловленная солнечная энергия полезно используется, поглощаясь теплоаккумулирующими элементами, и не происходит перегрева здания, а суточные изменения температуры воздуха внутри помещений будут небольшими.
Верхний предел массы всех теплоаккумулирующих элементов определяется технико-экономическим расчётом.
Пример 1
Рассчитать требуемый суммарный объём теплоаккумулирующих элементов из бетона [C'б = 522 Вт*ч/(м²*°C)] и в виде ёмкостей с водой [C'в = 1163 Вт*ч/(м²*°C)] при их суммарной теплоёмкости, отнесённой к 1 м² солнцеулавливающей остеклённой поверхности, равной C = 200 Вт*ч/(м²*°C) для дома с площадью остекления южного фасада Aост = 40 м².
Объём теплоаккумулирующих элементов из бетона равен
Vб = CAост/C'в = 200*40/1163 = 6,88 м³ Размещение теплоаккумулятора
Теплоаккумулирующие элементы следует размещать таким образом, чтобы они могли непосредственно получать солнечное излучение или поглощать излучение, отражённое другими поверхностями интерьера. Наилучшим твёрдым теплоаккумулирующим материалом является бетон, затем следуют кирпич, дуб, сосна, гипс.
Теплоаккумулирующие элементы могут служить ограждениями здания, то есть его стенами, полом, потолком. При этом наружная поверхность этих элементов должна быть теплоизолирована.
| Толщина теплоаккумулирующего элемента, мм | Площадь поверхности теплоаккумулирующего элемента, отнесённая к 1 м² площади светопрозрачного ограждения (остекления южного фасада), м² |
|---|---|
| 50 | 7 |
| 100 | 5 |
| 200 | 3 |
Эти данные относятся к элементам, непосредственно поглощающим солнечное излучение, то есть они должны быть размещены так, чтобы солнечное излучение попадало на них не менее 4 ч/день.
В случае, когда теплоаккумулирующие элементы (потолок, стены) расположены так, что на них не попадает прямое солнечное излучение, и они нагреваются за счёт отражённого солнечного излучения и излучения внутренних поверхностей или конвективного теплообмена с воздухом, толщина материала или площадь поверхности теплоаккумулирующего элемента, отнесённая к 1 м² площади остекления южного фасада, должна быть приблизительно в 2 раза больше, чем в первом случае.
Третий вариант размещения теплоаккумулирующих элементов соответствует случаю, когда они не являются частями ограждения и строительных конструкций, а установлены внутри помещений, отапливаемых за счёт прямого поступления солнечного излучения. Это могут быть ёмкости с водой или элементы, выполненные из строительных материалов.
При этом относительная площадь освещённой солнечным излучением поверхности элемента, приходящаяся на 1 м² площади остекления, составляет 2 м² для элемента из кирпича (толщиной 200 мм) или бетона (толщиной 150 мм), а ёмкости с водой должны иметь объём не менее 0,3 м³ на 1 м² остекления. Суммарная теплоёмкость (Вт*ч/°C) теплоаккумулирующих элементов составляет
Cак = AостC1 где,
Aост
Площадь остекления (солнцеулавливающей прозрачной изоляции), м²
C1
Теплоёмкость теплоаккумулирующего элемента, отнесённая к 1 м² площади остекления, Вт*ч/(м²*°C)
Требуемый объём теплоаккумулирующих элементов:
Vак = Cак/C' где,
C'
удельная объёмная теплоёмкость теплоаккумулирующего материала, Вт*ч/(м³*°C)
Пример 2
Определить требуемый объём теплоаккумулирующих бетонных элементов для помещения площадью 100 м², имеющего южные окна суммарной площадью 25 м², при минимально допустимой удельной теплоёмкости 200 Вт*ч/(м²*°C).
Общая теплоёмкость теплоаккумулирующих элементов:
Cак = AостC1 = 25*200 = 5*1000 Вт*ч/°C Требуемый минимальный объем теплоаккумулирующих элементов из бетона:
Vак = Cак/C'б = 5*1000/522 = 9,6 м³ Распределение этого объёма теплоаккумулирующего материала может быть выполнено, если на основе плана и разреза помещения по азимуту и углу высоты Солнца определить площади пола и стены, освещаемые Солнцем в течение не менее 4 ч в день в зимний период.
При заданной толщине теплоаккумулирующих элементов и выбранном материале можно определить площади поверхностей освещаемых и не освещаемых теплоаккумулирующих элементов.
Пример 3
По данным предыдущего примера выполнить распределение массы теплоаккумулирующих бетонных элементов стен, пола и отдельно стоящих колонн.
Принять, что масса распределяется между указанными элементами в соотношении 3:2:1.
Суммарный объём теплоаккумулирующих бетонных элементов составляет 9,6 м³, а объём теплоаккумулирующих стен, пола и колонн равен соответственно 4,8; 3,2 и 1,6 м³.
Комментарии