Пассивное солнечное нагревание. Баланс энергии окна

08.01.2018

Мы можем использовать окно на южной фасадной стене в качестве пассивного нагревательного солнечного элемента. Солнечное излучение попадает в дом в течение дня, и, если внутренняя температура внутри здания выше, чем необходимо, полученное тепло преобразуется и излучается назад.

Возникает вопрос, не уходит ли при этом больше тепла, чем необходимо, и обеспечивается ли при этом в сети экономия энергии сети. Ответ зависит от нескольких вещей:
1. средняя внутренняя температура здания;
2. средняя внешняя температура;
3. доступность солнечного излучения;
4. оптические характеристики окна (коэффициент пропускания), его ориентация и тонировка;
5. U-показатель окна, от которого в свою очередь зависит, одинарное или двойное застекление (или даже качество изоляции).

Энергетический баланс окна в Лондоне и Карпентрасе.

Перевод надписей:

Чистая сетевая энергия
Потери сетевой энергии
Одинарное
Двойное

На приведенном рисунке показан среднемесячный «баланс энергии» на южном фасаде здания, построенного вблизи Лондона, имеющего среднюю внутреннюю температуру около 18°C. В темные, холодные месяцы, декабрь и январь, через одинарные окна и окна, застекленные двойным стеклом, идет потеря энергии. Однако, в осенние и весенние месяцы, ноябрь и март, двойное застекленное окно становится положительным помощником сохранения тепла в здании. В ночные часы можно снизить потери за счет улучшенной теплоизолировки здания.

Мы можем сравнить это с подобным балансом энергии для Карпентраса, возле Авиньона, на юге Франции (также см. рис. выше). Хотя в средние зимние месяцы там почти также холодно, как и в Лондоне, они более солнечны, т.к. город находится на более низкой широте. Зимой поступает гораздо большее солнечного излучения, чем теряется тепла, и даже в зимой баланс энергии положителен.

Для Великобритании необходимо рассчитывать, как лучшее использовать доступную солнечную энергию.

В период длительного теплого сезона двойное застекленное окно на южном фасаде - хорошая вещь. Это может решить вопрос снабжения теплом в течение октября и ноября, марта и апреля. С другой стороны, в период холодных месяцев, в декабре и январе, их тепла не хватит для обогрева.

Как долго длится сезон использования нагрева?

Для того, чтобы ответить на этот вопрос, мы должны рассматривать остальную часть здания, его изоляции и его так называемые «свободные» потери тепла.

В типичном доме, для поддержания внутреннего температуры, необходимо добавлять тепло с учетом внешней температуры воздуха. Чем больше разница температуры между температурой внутри здания и снаружи, тем больше тепла нужно добавлять. Летом, возможно, в этом не будет необходимости, но зимой необходимо добавлять тепло в больших количествах. Общее потребление тепла, которое нужно добавлять в течение года, может быть достаточно большим.

Снабжение возможно от трех источников:

1. «естественный свободный нагрев», который слагается из тепла окружающего воздуха, нагретого здания и от нормальной жизнедеятельности людей (тепла тел людей), тепла от кулинарии, мытья, освещения и бытовой техники. Каждый из источников отдельно вносит незначительный вклад. Но вместе они вносят существенный вклад в общую систему нагрева. В типичном британском доме, это может равняться 15 кВт*час за день;

2. пассивные солнечные поступления, большей частью через окна;

3. энергия ископаемого топлива от нормальной теплосети.

Рассмотрим в качестве примера ежемесячный средний расход тепловой энергии в отдельном доме, построенном в 1970-е годы в Великобритании (в аналогичных домах живут люди в Северной и Центральной Европе). Как показано на рис. 2.28, расход энергии выше в холодные месяцы середины зимы, чем в теплые весны и осени. Летом, когда внешняя температура воздуха высокая, требование дополнительного нагрева убывает до нуля.

Необходимые дополнительные объемы тепла для обогрева типичного отдельно стоящего дома в Британии постройки 70-х годов.

Перевод надписей:

Суммарный солнечный нагрев.
Ежедневная энергия, кВт*час
Средние U-показатели:
стен и окон
крыши

Полезное солнечное тепло 3 000 кВт*час за год
Сетевой космической нагрев 13 000 кВт*час за год
Полезное свободное/бесплатное тепло 5 000 кВт*час за год

Как показано на рис. выше, для этого выбранного дома в течение года определен спрос на энергию в 21 МВт*час, 5 МВт*час получают от естественного поступления тепла и 3 МВт*час - поступление от Солнца (мы пересчитали естественное поступление солнечного тепла в виде солнечной энергии).

При ином расположении здания количество поступающей пассивной солнечной энергии составляет уже 14% необходимого тепла. Получение тепла от теплосети, работающей на ископаемом топливе, требует большого теплового потока мощностью 13 МВт*час. Такое теплоснабжение будет необходимо с середины сентября до конца мая.

Можно снизить спрос на домашнее тепло, используя дополнительную изоляцию чердака и сдвоенные стекла вместо одинарных. Это сократит спрос на нагрев и, как показано на рис. ниже, позволит лучше использовать возможности солнечного нагрева для поддержания внутренней температуры дома в течение более длинного периода года. (Установленные уровни необходимой изоляции типичны для новых датских домов, постройки начала 1980-х, стандарты при этом, в конечном счете; приблизительно соответствуют британскими Правилам строительства 2002 года).

Необходимые дополнительные объемы тепла для обогрева дома, построенного по обычному проекту, но с улучшенной теплоизоляцией.

Отопительный сезон длится с октября до конца апреля. Во время не максимального спроса на тепло от общего нагрева получают тепла 11 МВт*час, и еще 5 МВт*час от свободного солнечного тепла. Но при улучшенной изоляции можно будет использовать от солнечного излучения только 2 МВт*час. Наконец, 4 МВт*час получают из обычной теплосети.

При изолировке дома, 9 МВт*час за год будет сохранено в программе использования твердого топлива, но общий вклад от солнечной энергии (расчет приблизительный) снизится от 30 до 2 МВт*час.

Есть два пути, при которых нагрев за счет энергии космоса мог бы быть снижен в будущем:

1. Обеспечение дополнительной изоляции. Если дом был суперизолирован изоляцией в 200 мм или больше, потребность в энергии, получаемой из космоса, возможно, исчезла бы почти целиком, осталось бы только немного для охлаждения в жаркие дни. Солнечные добавки, возможно, не были бы нужны.

2. Использование соответствующего остекления, чтобы гарантировать лучшее использование зимнего солнца.

Который из этих методов лучше выбрать, зависит от местного климата и относительного расхода материалов изоляции и застекления. В зависимости от конкретных обстоятельств, возможно легче получить дополнительно 100 МВт*час солнечной энергии, чем сохранить 100 МВт*час за счет добавочной изоляции. Это также зависит от желательной эстетики здания и потребности в естественный дневном свете для освещения внутренних помещений.

Продолжение следует

Обсудить в моем Живом журнале

Также рекомендую:

Несколько характеристик атомной энергетики
Энергия и материя Вселенной