В пассивных домах

Принципы использования солнечной энергии и остекления

Для эффективного использования солнечной энергии необходимо соблюдение следующих условий:

– при остеклении применяются высококачественные материалы, обеспечивающие высокую пропускающую способность солнечной энергии и низкий коэффициент теплопередачи;

– другие потери по периметру окна должны быть незначительными;

– должно быть обеспечено максимально возможное теплопоступление от использования солнечной энергии через прозрачные поверхности.

На рис. 4.14 представлены технологические параметры остекления различных типов. [37].

U-Wert = k – коэффициент теплопередачи; g-Wert – коэффициент

лучепропускания (коэффициент пропускания солнечной энергии)

Рисуноук 4.14. Технологические параметры остекления

На примере сравнения одиночного стекла и тройного с низкоэмиссионным покрытием типа «аргон-криптон» наблюдается:

- примерно 10-кратное снижение коэффициента теплопередачи – с 5,6 до 0,5-0,8 Вт/(м²∙К);

- примерно 10-кратное увеличение температуры на внутренней поверхности стекла – с 1,8 до 17 ºС и выше;

- снижение тепловых потерь – с 480 до 30 кВт/м2 в год;

- примерно 2-кратное уменьшение поступления тепла от пассивного использования солнечной энергии;

- качество остекления является более важным показателем, чем площадь остекления. Остекление пассивных домов с южной стороны должно быть минимальным.

На рис. 4.15. представлены возможные типы остеклений, оптимальные для установки в пассивных зданиях, а в табл. 4.2. – соответствующие технологические параметры: коэффициент теплопередачи k, коэффициент термического сопротивления R = 1/k и коэффициент пропускания солнечной энергии g.

Рисунок 4.15. Различные схемы остекления

Таблица 4.2.

Типы остекления

№ №	Тип остекления	Коэффициент теплопередачи остекления k, Вт/(м²К) / термич. сопротивл. R., (м2К)/Вт	Коэффициент общего пропускания солнечной энергии g, %
	2 стекла с одним низкоэмиссионным покрытием (аргон). Этот тип остекления при больших площадях не пригоден для пассивных зданий.	1,1-1,4 / 0,91-0,71	55-68
	3 стекла с двумя низкоэмиссионными покрытиями, 2х11 мм (криптон)	0,5-0,7 / 2-1,43	45-57
3 стекла с двумя низкоэмиссионными покрытиями, 2х16 мм (аргон)	0,6-0,8 / 1,66-1,25	45-53
	Двойная оконная рама, два стеклопакета с двумя стеклами (2х2 стекла) с одним низкоэмиссионным покрытием на каждый (аргон)	0,6 / 1,66
	2 стекла с одним низкоэмиссионным покрытием (аргон), и перед ними одно стекло с твердым покрытием (k – стекло)	0,8 / 1,25

У самых обыкновенных оконных рам коэффициент теплопередачи от 1,5 до 2 Вт/(м²К), а теплопотери с 1 м² вдвое превышают аналогичный показатель остекления для пассивного дома, для которого по нормам коэффициент теплопередачи равен 0,7 Вт/(м² К). Кроме того, необходимо учитывать значительные мостики холода в местах соединения остекления с рамой. Чтобы восполнить баланс от солнечных теплопоступлений вследствие этих дополнительных теплопотерь, следует применять оконные рамы с высоким термическим сопротивлением (рис. 4.16.).

Рис. 4.16. Сравнение оконных рам

Слева – остекление для пассивного дома в стандартной деревянной раме с коэффициентом теплопередачи k > 1,09 Вт/(м2К).

Справа – специальные высокоизолированные рамы для пассивного дома со значением k = 0,8 Вт/(м2К).

Для изготовления теплоизоляционных оконных профилей используются следующие конструктивные варианты:

- рамы, утеплённые пенополиуретаном, со статическими элементами жесткости из стальных, алюминиевых или стекловолоконных профилей;

- пластиковые профили для рам с двумя или тремя воздушными камерами, с внутренним расположением элемента жесткости;

- рамы из дерева, металла или пластика с внутренним заполнением из пенополиуретана;

- деревянные окна с теплоизоляционным вкладышем из мягкой теплоизоляционной деревянной плиты или из бальзы;

Расположенные на юг окна пассивного дома должны быть с тройным стеклопакетом, низкоэмиссионным покрытием, не очень большими по площади, с утепленными оконными рамами.

Через окна южной ориентации в солнечную погоду в здание проникает значительное количество солнечной энергии. Стекло свободно пропускает коротковолновое световое ультрафиолетовое излучение, но неохотно пропускает в обратном направлении длинноволновое инфракрасное тепловое излучение, которое излучают нагретые солнечными лучами поверхности, находящиеся внутри помещений. [21].

Еще в мае 1947 г. исследования Ф. У. Хатчинсона показали, что количество поступающего через окна с двойным остеклением южных стен домов солнечной радиации в большинстве городов США более чем достаточно, чтобы компенсировать неизбежные потери при пропускании через стекло (рис. 4.17).

Рисунок 4.17. Схема распределения солнечного теплового потока

Большие площади остекления влекут за собой большие первоначальные затраты на отопительную систему из-за дополнительных потерь тепла через стекло, которое заменило собой сплошную непроницаемую стену. Кроме того, для данной широты местности общее количество поступающей солнечной радиации не меняется, несмотря на облачность, и тепловые потери зависят только от наружной температуры. Поэтому применение остекления большой площади в мягком климате обеспечивает большие возможности для снижения потребности в сезонном отоплении, чем в холодном климате на той же широте.

Количество солнечной энергии, поступающее через обращённое на юг окно, в средний солнечный зимний день больше, чем в средний солнечный день летом. Это объясняется рядом причин:

- несмотря на то, что продолжительность светового дня летом больше, чем зимой, количество часов возможного освещения солнцем окна, выходящего на юг, зимой больше, чем летом;

- плотность потока солнечной радиации на плоскость, перпендикулярную солнечным лучам, летом и зимой примерно одинакова. Потери энергии солнечной радиации при прохождении лучей через атмосферу компенсируются тем, что зимой Солнце ближе к Земле, чем летом;

- поскольку зимой Солнце находится ниже над горизонтом, угол падения солнечных лучей больше к нормали, чем летом, когда Солнце находится на большей высоте. Например, на 35° с.ш. в средний зимний час на 1 м² окна может поступить в 1,5 раза больше энергии, чем летом;

- излучение зимнего неба (из-за рассеивающего эффекта атмосферы) в 2 раза превышает излучение летнего неба;

- чем ближе к нормали угол падения солнечных лучей на окно, тем выше общий коэффициент пропускания, поэтому зимой этот коэффициент выше, чем летом;

- при правильном затенении окно можно закрыть от большей части прямого летнего солнечного излучения.

Из всего вышесказанного следует, что зимой через выходящие на юг окна поступает в 2 раза больше солнечной радиации, чем летом. А если летом окна затенить, то разница оказывается еще большей.

Кроме того, влияние типа окна и широты местности относительно невелико по сравнению с влиянием температуры наружного воздуха и нестабильностью солнечной погоды.

Нередко шторы или задернутые занавески уменьшают поступление солнечной энергии в помещение. Применение таких средств, как изолирующие ставни, закрывающие окна на ночь, существенно снижают потери тепла и увеличивают общий уровень полезного поступления тепла.

Поступление тепла и потери тепла через окна, зависят от типа оконной рамы: для окон с деревянными рамами по сравнению с алюминиевыми снижение летнего поступления тепла и зимних потерь тепла является весьма существенным.

Таким образом, для изготовления рам в новых зданиях целесообразно применять дерево. Замена оконных рам в существующих зданиях также является целесообразной.

Для экономии энергии имеет значение и тип стекла. Стекла всех типов (прозрачное, теплопоглощающее, теплоотражающее) теряют примерно одинаковые количества тепла из-за теплопроводности. Однако количества солнечной радиации, которые передаются стеклами этих трёх типов, сильно различаются.

Более практичным решением, как альтернатива применения теплопоглощающих или теплоотражающих стекол, является использование растительности (см. «Вертикальное озеленение»), а также регулируемых затеняющих устройств.

Затеняющие устройства снаружи здания наиболее эффективны; устройства между двумя слоями остекления (например, подъёмные жалюзи) несколько уступают им по эффективности; внутренние устройства (ставни, шторы, занавеси) наименее эффективны, т.к. преграждают путь солнечным лучам только после того, как они проникли в здание.

Теплопоглощающие и теплоотражающие стёкла снижают расход энергии на кондиционирование воздуха, стоимость оборудования и затраты на его эксплуатацию. Однако экономия обычно определяется в результате сравнения затрат с соответствующими данными для зданий с ограждающими конструкциями, выполненными из стекла, а не с данными для зданий, уже спроектированных с учетом мероприятий по экономии энергии.

Все четыре (или более) фасада здания необязательно должны иметь одинаковый внешний вид. Особенно это касается зданий с большими площадями остекления. Хотя строительство зданий в виде стеклянных коробок может иметь экономические, социальные и другие причины.

Обращённое на юг остекление можно легко затенять наружными козырьками над стеклами. Главная трудность при проектировании фиксированных козырьков заключается в том, что величина затенения, возникающая от тени козырьков на стекле, зависит в основном не от календарного времени года, а от положения Солнца.

Представляет определённый интерес применение регулируемых затеняющих устройств. Регулируемое затенение, расположенное между стеклами двойного окна, не так эффективно, как наружные устройства, но более эффективно, чем внутренние, которые, однако, наиболее удобны для использования людьми, находящимися в здании.

Регулируемое жалюзийное затеняющее устройство Skylid приводится в действие с помощью энергии Солнца (рис. 4.18). [21].

а – пасмурная погода; б – солнечная погода

Рисунок 4.18. Система Skylid. Схема работы в летнее время:

1 - отражающая поверхность; 2 - элемент жалюзи, заполненный изоляцией; 3 - верхняя ёмкость заполнена; 4 - нижняя емкость пуста; 5 - солнце; 6 - тепло (прохлада) отражается назад в помещение; 7 - верхняя ёмкость пуста; 8 - нижняя ёмкость заполнена.

Все элементы жалюзи поворачиваются одновременно: в открытом положении они пропускают солнечные лучи, а в закрытом – изолируют окно и сохраняют внутри тепло (или прохладу). На одном из жалюзийных элементов смонтированы две ёмкости, соединенные небольшой трубкой, по которой протекает фреон, расширяющийся или сжимающийся в зависимости от температуры, которая определяется главным образом солнечным излучением, попадающим на выступающую наружу ёмкость. Когда солнце нагревает фреон, он перетекает из выступающей наружу ёмкости в другую, уравновешивая жалюзийные элементы и заставляя их закрываться.

Зимой система работает в обратном порядке: солнце заставляет жалюзи открываться в солнечные часы и закрываться ночью, удерживая тепло в помещении.

Кроме автоматического управления жалюзи могут регулироваться с помощью ручного рычага.

Очень трудно затенять остекление, обращённое на восток и запад, потому что солнце над горизонтом стоит низко и летом, и зимой. Одним из вариантов затенения в этом случае являются вертикальные жалюзи (или подобные им конструкции), принцип действия которых заключается в том, что обращённое на восток или запад остекление переориентируется на север или юг.

При ориентации остекления на север будет пропускаться только непрямой свет, создающий благоприятное освещение для жизнедеятельности человека, а при ориентации освещения на юг обеспечивается поступление солнечной радиации в зимнее время.

Для этого применяется, как правило, пилообразное расположение окон на западном или восточном фасадах здания, обеспечивающее поступление солнечного тепла зимой, но исключающее летом (рис. 4.19.).