Пассивное использование солнечной энергии.

Пассивное использование солнечной энергии.

Задача пассивного солнечного дизайна - создать такие архитектурно-строительные системы, которые улавливают солнечное тепло, направляют его вглубь помещения, аккумулируют и отдают в нужное время, значительно сокращая расходы на отопление. Существуют различные приемы пассивного использования солнечной энергии для отопления зданий. Наиболее распространенными из них можно считать устройство светопрозрачной теплоизоляции, стен Тромба и встроенных или пристроенных теплиц и зимних садов. Эффективным является комбинированное использование нескольких систем.     Американский строитель Джим Калахадориан выделяет 8 принципов солнечного дизайна: 1.    Дом нужно размещают так, чтобы стена и кровля были ориентированы на юг с отклонением не более 10-20 градусов.  Принимают в расчет особенности ландшафта: деревья, постройки, особенности рельефа, которые могут защитить дом от суровой погоды или ветра зимой или укрыть его от слишком яркого солнца летом. 2.    При разработке дизайна учитывают годичный цикл. Перед строительством нужно побывать на месте будущего дома несколько раз в течение года, изучить положение солнца, ветры.  Предусматривают достаточное количество термической массы, чтобы собирать солнечное тепло днем и использовать ночью. 3.    Используют надежную тепло- и гидроизоляцию. Вход оборудуют по принципу тамбура с двумя дверями. 4.   Окна используют в качестве солнечных коллекторов и приспособлений для охлаждения. Вертикальное, ориентированное к югу остекление особенно эффективно для сбора солнечного тепла зимой. Используют шторы или жалюзи из теплоизолирующего материала, чтобы свести к минимуму ночные теплопотери в течение зимы и не допускать чрезмерного нагревания весной, летом и осенью. Через окна можно также выпустить излишнее тепло и впустить в дом прохладный ветер. 5.    Нужно учитывать то, что перестекленный дом будет перегреваться. 6.    Нужно правильно рассчитать дополнительную систему обогрева. 7.    Воздухообмен должен происходить через специальные отверстия во внешних стенах с вмонтированными вентиляторами в кухне и ванной, а не через щели в плохо изолированных дверях и окнах. Хорошая организация воздушных потоков в здании является основой распространения полученного тепла по помещениям за счет естественной конвекции. Это достигается созданием вертикальных воздушных потоков в двусветных пространствах атриумов, холлов, повышенных частях жилых комнат.     Все виды пассивного энергообеспечения объединяют в 3 основные группы: 1.    Прямой обогрев помещений через различные типы остеклений южного фасада: витражи и окна, фонари верхнего света, вертикальные окна, расположенные в верхней части двусветного пространства, и т. д. Это наиболее простой вид солнечного отопления, использовавшийся в традиционном строительстве, основанный на ориентации основных помещений на юг. Избыток тепла аккумулируется внутренней термальной массой: кирпичными, каменными или бетонными полами, внутренними стенами, каминами, емкостями с водой и т. п. В солнечных системах этого типа необходимо предусмотреть надежную теплоизоляцию и защиту от излишнего солнечного света (жалюзи, шторы, свесы кровель). 2.    Нагревание термального массива типа стены Тромба. Стена Тромба состоит из ориентированной к югу стеклянной стены с воздушным пространством между ней и бетонной (кирпичной, каменной) стеной, выкрашенной в черный цвет. Солнечная энергия проникает сквозь стекло и поглощается черной стеной. По мере нагревания стены воздух в пространстве между стеной и стеклом начинает подниматься. Отверстия сверху и снизу стены Тромба позволяют теплому воздуху циркулировать в пределах жилого пространства (эффект термосифона). Ночью стена отдает накопленное за день тепло. Так как в холодные ночи процесс может идти в обратном направлении, необходимо перекрывать на ночь отверстия. Такое устройство отличается простотой и надежностью и иллюстрирует основные принципы, лежащие в основе пассивного солнечного дизайна: не требуется ни движущихся частей, ни оператора, ни системы контроля. Заманчивой выглядит идея создания "солнечного пола", представляющая собой комбинацию литого бетонного пола и блоков, уложенных под ним таким образом, чтобы образовались воздушные коридоры в направлении с севера на юг. Если такая конструкция будет вентилироваться при помощи отверстий в северной и южной стенах дома, воздух будет циркулировать в этой системе естественным образом, когда солнце взошло. Зимой в солнечный день южная стена будет теплее северной. По мере того, как тепло будет попадать в дом через окна с южной стороны или передаваться ему от разогретой южной стены, воздух вдоль южной стены начнет подниматься. Теплый воздух будет выталкиваться из вентиляционных отверстий в жилое помещение, а холодный воздух со стороны северной стены будет втягиваться в отверстия у северной стены. Так благодаря эффекту термосифона воздух естественным образом будет циркулировать через солнечный пол. 3.    Нагревание изолированного объема, теплый воздух из которого затем распространяется по всему зданию. Остекленный объем теплицы, атриума, оранжереи может примыкать к южному фасаду дома, либо встраиваться в него. Нагреваемый в теплице воздух распространяется по остальным помещениям путем естественной конвекции или по каналам с механическим побуждением и несложной системой датчиков. Обычно это термостат, который регулирует открытие клапана, когда температура воздуха в теплице достигает требуемой. Аккумулирование тепла осуществляется внутренним термальным массивом, аналогичным уже описанным. Помещение теплицы или атриума может быть полностью изолировано от дома. При правильной организации режима эксплуатации оно может использоваться для нужд семьи. Можно считать зимний сад важнейшим элементом солнечного дома, который служит буферной зоной между интерьером и наружной средой.

Солнечное электроснабжение.

1. Солнечный элемент. Рис. 1. Солнечные элементы на основе кристаллического кремния.     Солнечный элемент представляет собой полупроводниковый диод с большой площадью поверхности. Солнечное излучение поглощается в полупроводнике, образуя электронно-дырочные пары, которые разделяются p-n переходом и снимаются металлическими контактами на передней и тыльной поверхностях элемента. Рис. 2. Принцип работы солнечного элемента. Рис. 3. Солнечные батареи.     Основной материал для массового производства солнечных элементов сегодня - кристаллический кремний. Из подложек, изготовленных на его основе, производится боле 80% всех солнечных элементов. Не смотря на не самую лучшую поглощающую способность, кремний имеет ряд преимуществ над другими полупроводниками: 1) кремний широко распространен в земной коре в форме оксида кремния, 2) кремний не токсичен и не активен, поэтому не вносит дисбаланс в окружающую среду, 3) кремниевые технологии хорошо изучены в микроэлектронной промышленности. Солнечные элементы из арсенида (GaAs) галлия достигают эффективности 25%. Специально сконструированные солнечные элементы, использующие концентрированное солнечное излучение имеют эффективность до 30%. Для производства солнечных элементов используют тонике пленки теллура кадмия (CdTe), медь индиевого диселенида (CIS). Тонкие пленки получают осаждением этих материалов на металлические, стеклянные и др. подложки. Эффективность промышленных образцов находится в пределах 7-18%. Тонкие пленки также используются для производства каскадных солнечных элементов. Недостатком этих материалов является значительное ухудшение характеристик со  временем и при повышении температуры, а также высокотехнологичный, затратный процесс производства, который связан с использованием токсичных веществ. 2. Система солнечного электроснабжения. Рис. 4. Система солнечного электроснабжения.     Система, подключенная к сети, состоит из следующих элементов: 1.    Солнечные батареи 2.    Контроллер - устройство, переключающее напряжение, для изменения режима работы солнечных батарей. 3.    Инвертор - устройство, преобразующее постоянный ток, вырабатываемый солнечными элементами, в переменный ток. Содержит в себе трансформатор. 4.    Счетчик - электронное устройство для учета экспортируемой и импортируемой электроэнергии. Также счетчик определяет, в зависимости от нагрузки и эффективности солнечных батарей, когда и сколько электроэнергии нужно получить из сети.

Тепловая нагрузка

Что нужно учитывать при проектировании дома, чтобы также иметь 100%-е солнечное отопление?

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАСЧЕТА СИСТЕМЫ: 

1. ликвидация всех источников возможных утечек тепла;
2. определение тепловой нагрузки среднего декабрьского дня;
3. определение запаса мощности установки и требуемого объема теплового аккумулятора (зависит от последовательности чередования ясных, полуясных и облачных дней. Чем больше облачных дней, следующих один за другим, тем большую термическую массу необходимо иметь);
4. выбор оптимального соотношения всех элементов. Здесь расчет выполняется на период срока службы системы (20...25 лет), но при этом следует учесть, что:
   
   
   • при малых затратах на систему и низком ее КПД потребуются затраты на традиционное топливо;
   • при сверхэффективной системе (100% солнечное отопление) возможны слишком большие затраты на ее строительство.
   • Из этого следует, что необходимо минимизировать суммарные затраты на весь период срока службы системы, которые включают в себя:
   • стоимость системы солнечного отопления;
   • дополнительную теплоизоляцию ограждающих конструкций (стен, крыши, пола);
   • возможную потребность в монтаже теплоизолирующих ставен.

В расчете, конечно, следует учитывать стоимость топлива на этот период, то есть закладывать прогнозируемые будущие цены на него.

Таким образом, выполняется расчет со многими неизвестными. Для выполнения его можно использовать электронные таблицы.. После выполнения расчетов может выясниться, что оптимальным для Вас явится дом не со 100%, а 70...80% солнечным отоплением, т.к. систему необходимо будет монтировать в уже существующем доме. При этом дом не будет нуждаться в традиционном отоплении с февраля до конца ноября, а в декабре-январе может понадобиться дополнительное отопление.

Архитектурная концепция солнечного дома.

Архитектурная концепция солнечного дома широко известна и схематично может быть представлена следующим образом:

Пространство, защищенное от ветра и раскрытое солнцу, формируется развернутой к югу радиальной в плане ветрозащитной стенкой, собирающей солнечные лучи, и козырьком - кровлей, дающим тень от высокого летнего солнца. Форма и отделочные материалы внутренней поверхности стены должны способствовать концентрации солнечных лучей, или их поглощению для прогрева термальных массивов, при низком зимнем солнцестоянии. Отсекая внутреннее пространство «подковы» с юга от внешней среды витражом, мы используем парниковый эффект: при нанесении на поверхность стекла тончайшего металлического покрытия или теплоотражающей пленки лучистая составляющая тепловых потерь направляется обратно, внутрь помещения. Термальный массив (каменная стена за стеклом, пол – керамогранит по ж/б плите - или массивный камин под зенитным фонарем), сохраняя солнечное тепло, должен обеспечить комфортные температуры в помещении ночью. С наветренной стороны стена и кровля солнечного дома могут быть превращены в зеленый холм, что не только защитит от холодного северного муссона, уведя ветер вверх, но и будет способствовать дополнительному сбережению накопленного массивными конструкциями солнечного тепла. Летнее затенение юго-западных и западных секторов горизонта обеспечат внешние зеленые экраны из лиан. Аэрацию при перегреве - коньковые окна, при одновременном притоке прохладного воздуха из затененной части приусадебного участка, через проемы у основания витража.
Солнечная архитектура - это инвестиции в Ваше будущее. Здания традиционной архитектуры, как спринтер на короткой дистанции вне конкуренции: дешевле и сразу. Солнечная архитектура на 10-30% дороже и окупит себя примерно через 5-10 лет. Но владельцу «солнечного» коттеджа не нужно будет вкладывать деньги на отопление и горячую воду, а чистый воздух вообще оценке не поддается

Строительство энергосберегающего дома

Повышение энергоэффективности зданий в последние десятилетия стало одним из основных направлений развития строительной индустрии. За рубежом начало разработок по улучшению теплозащиты эксплуатируемых зданий явилось следствием энергетического кризиса 70-х годов, и с 1976 года в большинстве зарубежных стран нормируемые величины теплозащиты конструкций увеличились в 2 - 3,5 раза. В настоящее время процесс этот не замер на месте: требования к используемым теплоизолирующим материалам постоянно повышаются, ужесточаются нормативы теплопроницаемости и смежных параметров отдельных строительных конструкций и сооружений в целом.
Теплоизоляция зданий и сооружений преследует несколько практических, целей: повышение уровня комфортности, тепло- и звукоизоляции, экономию топливных ресурсов и сокращение эксплуатационных расходов. Однако в концепцию энергоэффективного дома входит не только изоляция конструкций при помощи теплоизолирующих материалов, но и специфические инженерные решения системы вентиляции и теплоснабжения.
Для развития концепции энергосберегающего дома, безусловно, необходимо опираться на богатый опыт эксплуатации различных зданий. Очевидно, что энергоэффективность здания определяется совокупностью многих факторов. Исследования показывают, что при эксплуатации традиционного многоэтажного жилого дома через стены теряется до 40% тепла, через окна - 18%, подвал - 10%, крышу - 18%, вентиляцию - 14%. Поэтому свести теплопотери к минимуму возможно только при комплексном подходе к энергосбережению.
Из приведенных данных следует, что недостаточное термическое сопротивление осаждающих конструкций наиболее существенно снижает энергоэффективность зданий. Однако утеплением лишь ограждающих конструкций нельзя добиться значительного уменьшения теплопотерь, поскольку существенная их доля приходится на так называемые "мостики холода", то есть участки интенсивного теплообмена с окружающей средой. Такие участки чаще всего образуются в местах контакта плит перекрытий с несущими стенами, в местах примыкания к наружным стенам внутренних стен и перегородок, а также при проседании некачественного теплоизоляционного материала в трехслойных ограждающих конструкциях с утеплителем в качестве среднего слоя.
Поэтому современные системы утепления предусматривают создание комплексной защитной термооболочки вокруг конструкций здания. Такая оболочка включает в себя утепление контактирующих с грунтом конструкций фундамента в сочетании с утеплением скатных или плоских крыш, а также устройство вентилируемых фасадов, передвигающих зону положительных температур в несущие конструкции. Этот комплекс мер исключает появление "мостиков холода", повышает тепловое сопротивление ограждения и предотвращает выпадение конденсата, пагубно влияющего на теплоизолирующие и другие эксплуатационные характеристики конструкций.
Еще одной немаловажной проблемой являются теплопотери через окна. Наиболее простой подход к решению этой проблемы - уменьшение площади окон - далеко не всегда приемлем, поскольку ухудшает комфортность и микроклимат помещений. Эта дилемма наилучшим образом разрешается использованием современных трехслойных стеклопакетов с низкой теплопроводностью.
Помимо вышеперечисленных аспектов пассивного энергосбережения, также стоит упомянуть о новейших решениях с привлечением высоких технологий. Имеются в виду интеллектуальные системы отопления, позволяющие оптимизировать поступление и распределение тепла в здании - то есть обеспечить необходимое и достаточное его количество, когда и там, где это необходимо. Однако такой подход требует внесения значительных и порой радикальных изменений в распространенную, в частности, в России схему нейтрализованного отопления.
Строительство энергоэффективных зданий широко осуществляется сейчас во всем мире. Особенно впечатляющи в этом отношении успехи стран Западной Европы и Скандинавии. Суммарный эффект экономии тепла во вновь возводимых жилых и коммерческих зданиях здесь составляет 50 - 70%. Столь существенная экономия позволяет быстро окупить затраты от применения энергосберегающих технологий.
В частности, в Дании уже сейчас возводятся здания, при эксплуатации которых расходуется 16 кВт/м2 , что на 70% ниже текущих энергетических затрат. Отличным примером комплексного подхода к энергоэффективному строительству стало здание Исследовательского Центра ROCKWOOL. Этот проект получил приз "Офис 2000 года" и был признан одним из самых энергоэффективных зданий в мире. Применение новых инженерных решений позволило полностью исключить возможность возникновения "мостиков холода". Трехслойные окна особой конструкции с низкой теплопроводностью создают впечатление изобилия дневного света и пространства, а естественная вентиляция, оптимизируемая с помощью компьютерной системы, позволяет еще значительнее уменьшить потери тепла.
Концепция энергосберегающего дома хоть и с заметным запозданием, но находит признание и в России. До недавнего времени дешевизна энергоносителей в нашей стране не позволяла ощутить максимальный экономический эффект от использования современных теплосберегающих материалов и соответствующих инженерных решений. Наблюдался такой парадокс: стоимость строительства в России ниже уровня мировых цен всего на 20-30%, а стоимость энергоресурсов отличалась в 6-7 раз. Но поскольку Россия взяла курс на построение эффективной экономики и вхождение в мировое сообщество, баланс цен на энергоносители начал восстанавливаться стремительными темпами. Только за два последних года цены на электроэнергию выросли на 45,8%, а на газ - на 63,5%.
В связи с этим вопрос строительства энергоэффективных зданий в России становится одним из ключевых, а проблема рационального использования энергоресурсов приобретает все большее значение. Особенно остро эта проблема встает в коммунальном хозяйстве, которое потребляет до 20% электрической и 45% тепловой энергии, производимой в стране. На единицу жилой площади в России расходуется в 2-3 раза больше энергии, чем в странах Европы (в Германии в настоящее время расход теплоэнергии на отопление составляет 80 кВт ч/м2, а в Швейцарии - 55 кВт ч/м2) и не столько из-за более сурового климата, сколько благодаря существенно меньшей жесткости строительных стандартов и нормативов.

Источник: www.kostar.ru

Повышение энергоэффективности зданий в последние десятилетия стало одним из основных направлений развития строительной индустрии. За рубежом начало разработок по улучшению теплозащиты эксплуатируемых зданий явилось следствием энергетического кризиса 70-х годов, и с 1976 года в большинстве зарубежных стран нормируемые величины теплозащиты конструкций увеличились в 2 - 3,5 раза. В настоящее время процесс этот не замер на месте: требования к используемым теплоизолирующим материалам постоянно повышаются, ужесточаются нормативы теплопроницаемости и смежных параметров отдельных строительных конструкций и сооружений в целом.
Теплоизоляция зданий и сооружений преследует несколько практических, целей: повышение уровня комфортности, тепло- и звукоизоляции, экономию топливных ресурсов и сокращение эксплуатационных расходов. Однако в концепцию энергоэффективного дома входит не только изоляция конструкций при помощи теплоизолирующих материалов, но и специфические инженерные решения системы вентиляции и теплоснабжения.
Для развития концепции энергосберегающего дома, безусловно, необходимо опираться на богатый опыт эксплуатации различных зданий. Очевидно, что энергоэффективность здания определяется совокупностью многих факторов. Исследования показывают, что при эксплуатации традиционного многоэтажного жилого дома через стены теряется до 40% тепла, через окна - 18%, подвал - 10%, крышу - 18%, вентиляцию - 14%. Поэтому свести теплопотери к минимуму возможно только при комплексном подходе к энергосбережению.
Из приведенных данных следует, что недостаточное термическое сопротивление осаждающих конструкций наиболее существенно снижает энергоэффективность зданий. Однако утеплением лишь ограждающих конструкций нельзя добиться значительного уменьшения теплопотерь, поскольку существенная их доля приходится на так называемые "мостики холода", то есть участки интенсивного теплообмена с окружающей средой. Такие участки чаще всего образуются в местах контакта плит перекрытий с несущими стенами, в местах примыкания к наружным стенам внутренних стен и перегородок, а также при проседании некачественного теплоизоляционного материала в трехслойных ограждающих конструкциях с утеплителем в качестве среднего слоя.
Поэтому современные системы утепления предусматривают создание комплексной защитной термооболочки вокруг конструкций здания. Такая оболочка включает в себя утепление контактирующих с грунтом конструкций фундамента в сочетании с утеплением скатных или плоских крыш, а также устройство вентилируемых фасадов, передвигающих зону положительных температур в несущие конструкции. Этот комплекс мер исключает появление "мостиков холода", повышает тепловое сопротивление ограждения и предотвращает выпадение конденсата, пагубно влияющего на теплоизолирующие и другие эксплуатационные характеристики конструкций.
Еще одной немаловажной проблемой являются теплопотери через окна. Наиболее простой подход к решению этой проблемы - уменьшение площади окон - далеко не всегда приемлем, поскольку ухудшает комфортность и микроклимат помещений. Эта дилемма наилучшим образом разрешается использованием современных трехслойных стеклопакетов с низкой теплопроводностью.
Помимо вышеперечисленных аспектов пассивного энергосбережения, также стоит упомянуть о новейших решениях с привлечением высоких технологий. Имеются в виду интеллектуальные системы отопления, позволяющие оптимизировать поступление и распределение тепла в здании - то есть обеспечить необходимое и достаточное его количество, когда и там, где это необходимо. Однако такой подход требует внесения значительных и порой радикальных изменений в распространенную, в частности, в России схему нейтрализованного отопления.
Строительство энергоэффективных зданий широко осуществляется сейчас во всем мире. Особенно впечатляющи в этом отношении успехи стран Западной Европы и Скандинавии. Суммарный эффект экономии тепла во вновь возводимых жилых и коммерческих зданиях здесь составляет 50 - 70%. Столь существенная экономия позволяет быстро окупить затраты от применения энергосберегающих технологий.
В частности, в Дании уже сейчас возводятся здания, при эксплуатации которых расходуется 16 кВт/м2 , что на 70% ниже текущих энергетических затрат. Отличным примером комплексного подхода к энергоэффективному строительству стало здание Исследовательского Центра ROCKWOOL. Этот проект получил приз "Офис 2000 года" и был признан одним из самых энергоэффективных зданий в мире. Применение новых инженерных решений позволило полностью исключить возможность возникновения "мостиков холода". Трехслойные окна особой конструкции с низкой теплопроводностью создают впечатление изобилия дневного света и пространства, а естественная вентиляция, оптимизируемая с помощью компьютерной системы, позволяет еще значительнее уменьшить потери тепла.
Концепция энергосберегающего дома хоть и с заметным запозданием, но находит признание и в России. До недавнего времени дешевизна энергоносителей в нашей стране не позволяла ощутить максимальный экономический эффект от использования современных теплосберегающих материалов и соответствующих инженерных решений. Наблюдался такой парадокс: стоимость строительства в России ниже уровня мировых цен всего на 20-30%, а стоимость энергоресурсов отличалась в 6-7 раз. Но поскольку Россия взяла курс на построение эффективной экономики и вхождение в мировое сообщество, баланс цен на энергоносители начал восстанавливаться стремительными темпами. Только за два последних года цены на электроэнергию выросли на 45,8%, а на газ - на 63,5%.
В связи с этим вопрос строительства энергоэффективных зданий в России становится одним из ключевых, а проблема рационального использования энергоресурсов приобретает все большее значение. Особенно остро эта проблема встает в коммунальном хозяйстве, которое потребляет до 20% электрической и 45% тепловой энергии, производимой в стране. На единицу жилой площади в России расходуется в 2-3 раза больше энергии, чем в странах Европы (в Германии в настоящее время расход теплоэнергии на отопление составляет 80 кВт ч/м2, а в Швейцарии - 55 кВт ч/м2) и не столько из-за более сурового климата, сколько благодаря существенно меньшей жесткости строительных стандартов и нормативов.

Источник: www.kostar.ru