Пассивное использование солнечной энергии

Окна пассивных зданий работают как солнечные коллекторы - теплопоступления от пассивного использования солнечной энергии вносят основной вклад в возмещение теплопотерь.

Цель состоит не в том, чтобы любой ценой получить максимально возможное количество солнечной энергии, а в большей степени в том, чтобы по возможности сохранять на минимальном уровне недостающую потребность в энергии на отопление. Если имеется здание, которое нуждается в совсем небольшом активном подтапливании (безразлично, каким способом), тогда такое здание в Средней Европе вообще не нуждается в потреблении тепла летом и в переходные периоды с марта по ноябрь. Основным периодом для подтапливания являются зимние месяцы - декабрь, январь и февраль. Впрочем, построенные и эксплуатируемые пассивные здания, кроме этих трех месяцев, фактически не нуждаются в отоплении. К сожалению, солнечной энергии в этот зимний период для Средней Европы недостаточно.

Следующая климатическая проблема обостряет ситуацию. В эти зимние месяцы солнечная радиация незначительна и температура окружающей среды тоже низкая. Вследствие этого максимальны и теплопотери. Даже самые лучшие светопропускаю-щие строительные элементы до сих пор имеют явно более высокие коэффициенты теплопередачи, чем непрозрачные стены или кровли; типичные для пассивного дома коэффициенты теплопередачи: Uстены = 0,15 Вт/(м2К) и Uостекления = 0,7 Вт/(м2К). Поэтому остекления, площади которых увеличены с целью (большего) пассивного использования солнечной энергии, неизбежно приводят и к более высоким теплопотерям. Решающим является только баланс между используемыми теплопоступлениями от солнечной энергии и дополнительными теплопотерями в основные зимние месяцы.

Только из этих рассуждений уже становится ясно, какие принципы необходимы для пассивного использования солнечной энергии в пассивных зданиях:

• теплопотери через прозрачные поверхности должны быть незначительными. Необходимы высококачественные остекления, которые имеют высокую про-пускающую способность солнечной энергии, но прежде всего - низкий коэффи-циент теплопередачи (U);

• прочие потери по периметру окна должны быть незначительными: тепловые мосты в месте соединения остекления с оконной рамой (по краям остекления), а также в месте примыкания оконной рамы и наружной стены значительно по-вышают теплопотери;

• также должна быть возможность теплопоступлений от использования солнечной энергии через прозрачные поверхности: это означает прежде всего необходимую ориентацию (юг для зимних месяцев идеален) и отсутствие препятствий, дающих тень. Строительные элементы, расположенные перед фасадом и дающие тень, не пропускают солнечные лучи. В этом случае остекление не может выполнять функции коллектора и всегда будут иметь место высокие теплопотери.

Рис. 13. Развитие остеклений ведет к постоянно сокращающимся теплопотерям и к все большему комфорту: данные температуры на внутренней поверхности остекления рассчитаны в таблице для наружной температуры -10 С и внутренней +20 С. (2WSА - стеклопакет с двумя стеклами и с одним низкоэмиссионным покрытием на втором стекле (покрытие со стороны межстекольного пространства), заполнение камеры стеклопакета - аргон; ЗWSК или 3WSА - стеклопакет с тремя стеклами с двумя низкоэмиссионными покрытиями на первом и третьем стеклах (покрытия обращены внутрь межстекольного пространства), заполнение камер стеклопакета - криптон или аргон; U – Wert - коэффициент теплопередачи. Вт/(м2К); g-Wert - коэффициент общего пропускания солнечной энергии. - Прим. перев.)

За последние 30 лет произошло очень сильное развитие остеклений (рис. 13).

• До 1980 г. в большей части Средней Европы использовался простой тип остекления с U = 5,8 Вт/(м2К) (Rо = 0,17 (м2°С)/Вт). Часто на внутренней поверхности окна зимой появлялись ледяные узоры.

• С 1984 по 1995 г. обычно использовали двойное остекление с Е1, равным около 3 Вт/(м2К) (Rо = 0,33 (м2°С)/Вт). Благодаря этому теплопотери стали примерно в два раза Меньше, но все же постоянно образовывался конденсат на внутренней поверхности стекла.

• С 1990 г. быстро растет рынок остеклений с повышенными теплоизоляционными свойствами (два стекла, одно с низкоэмиссионным покрытием, заполнение аргоном), которые имеют U = 1,2...1,6 Вт/(м2К) (Ro = 0,83...0,63 (м˚C)/Вт). С введением изменений в Постановлении по тепловой защите с 1995 г. эти остекления стали обязательными практически для всех новостроек и при реконструкции старых зданий (сегодня это составляет примерно 90% всего рынка Германии). Это двойное остекление с низкоэмиссионным покрытием недостаточно для пассивного дома: температура на внутренней поверхности может быть менее +14,5 С. Вследствие такого заметного температурного перепада ухудшается комфорт и возникают признаки сквозняка, если под окном отсутствует отопительный прибор.

• Остекления, устанавливаемые на сегодняшний день в пассивных домах, обычно имеют три стекла (двухкамерные) с двумя слоями низкоэмиссионного покрытия и с заполнением криптоном или аргоном (U = 0,5...0,8 Вт/(м2К), или Rо = 1 / U = 2,0... 1,25 (м2°С)/Вт). Температура на внутренней поверхности остекления равна примерно температуре внутри помещения, и применение отопительного прибора под окном становится ненужным. В Средней Европе теплопоступления через такие остекления с южной ориентацией, с малым затенением даже с декабря по февраль выше, чем теплопотери через эти остекления.

Рис. 14. Зависимость потребления незначительного количества тепловой энергии на отопление от величины остекления на южном фасаде на примере пассивного дома в г. Дармштадте, р-н Кранихштайн; ЗWSК: тройное остекление с низкоэмиссионными покрытиями, криптон; 2-WS: нормальное двойное остекление с низкоэмиссионным покрытием, аргон; З-Iso: тройное остекление без защитного покрытия; 2-Isо: двойное остекление без защитного покрытия

Как складывается энергобаланс между теплопоступлениями от солнечной энергий и теплопотерями, станет ясно, если представить незначительное потребление тепловой энергии на отопление как функцию, зависящую от доли площади южно-ориентированного остекления (рис. 14). Представленные на рисунке линии рассчитаны с помощью динамической расчетной модели DYNBIL для пассивного дома в г. Дармштадте, р-н Кранихштайн. Результаты моделирования подтверждаются при сравнении | с измеренными величинами в построенном пассивном доме; в расчетах принимались во внимание даже такие эффекты, как затенение от оконных рам, пропускание света через остекление в зависимости от угла наклона и зависимость коэффициента теплопередачи от температуры. График показывает, что с обычным двойным изолированным остеклением в пассивном доме невозможно достичь нетто-поступлений от солнечной энергии. Даже при идеальных условиях при использовании обычного тройного остекления также невозможно достичь уменьшения потребления тепловой энергии на отопление. С используемыми сегодня окнами в зданиях с низким энергопотреблением, которые устанавливаются в большинстве случаев с двойным остеклением и низкоэмиссионным покрытием, все-таки достижимы некоторые пассивные поступления от солнечной энергии при использовании небольшой доли остекления от общей площади. Реальные теплопоступления от пассивного использования солнечной энергии наступают при применении остекления высокого качества, например тройное остекление с низкоэмиссионным покрытием (называемое также «остекление для пассивного дома»). С окнами такого качества, имеющими большую площадь, южную ориентацию и практически незатененными, показатель энергопотребления снижается в два раза по сравнению с непрозрачными (без окон), суперизолированными зданиями. Нетрудно заметить, что возможность использования солнечного излучения уже при площади остекления около 40% сильно ослабевает. После резкого возрастания сбережения энергии вначале, с ростом площади остекления наступает насыщение. Дополнительная экономия энергии через удвоение площади остекления с 40% до 80% пренебрежительно мала (причина также в том, что зимой всегда есть входящие, непригодные для использования излишки солнечного тепла, которые приводят к повышенным температурам внутри помещения).

Выводы ясны: качество остекления явно является более важным, чем количество остекления (доля остекления от общей площади) [Feist 1994а]. Здесь необходимо также уточнить, что пассивные дома ни в коем случае не нужно любой ценой оснащать остеклениями с большими площадями южной ориентации.

Следующая таблица и схемы показывают возможные типы остеклений (без гарантии к точности данных), которые являются пригодными для установки в пассивных зданиях (на схемах 1-4 красной пунктирной линией показано расположение низкоэмиссионных покрытий. - Прим. перев.).

• Остекления, пригодные для пассивного дома, позволяют также в холодные зимние дни в Средней Европе иметь положительный баланс между поступающей солнечной энергией и теплопотерями через эти остекления.

• Даже в холодные периоды температуры на внутренней поверхности остекления продолжительное время остаются настолько высокими, что не возникает никакого заметного отвода тепла из помещения вследствие лучистого теплообмена и никаких конвекционных движений, способных вызвать дискомфорт.

Пассивный дом:

- критерий комфорта для остекления: Ug ≤ 0,8 Вт/(м2К);

- энергетический критерий остекления: Ug - 1,6 Вт/(м2К) • g ˂ 0

Положительный баланс от солнечных теплопоступлений может значительно уменьшиться, если из-за плохих оконных рам и тепловых мостов в области окон недо-пустимо высоко возрастут теплопотери. Обычные оконные рамы имеют значения ко-эффициента теплопередачи 1,5...2 Вт/(м2К) (рамы 1-й группы). Теплопотери от 1 м: таких рам более чем в два раза превышают теплопотери от 1 м2 остекления для пассивного дома, для которого коэффициент теплопередачи примерно равен 0,7 Вт/(м2К). Кроме этого, необходимо учитывать значительные тепловые мосты в местах соединения остекления с рамой. В таком случае, чтобы снова не потерять положительный баланс от солнечных теплопоступлений вследствие этих дополнительных теплопотерь, необходимо применять оконные рамы с высоким термическим сопротивлением. На рис. 15 показано сравнение двух окон.

Для обоих окон используется остекление, пригодное для пассивного дома (тройное остекление с двумя низкоэмиссионными покрытиями и с заполнением межстекольного пространства инертным газом). В то время как для левого окна с обычной оконной рамой усредненный коэффициент теплопередачи 1]к составляет 1,09 Вт/(м2К), то для правого окна с оконной рамой, пригодной для пассивного дома, этот коэффициент может быть ниже 0,8 Вт/(м2К). Эти хорошо изолированные рамы - новое открытие, которое получило толчок для развития в результате использования опыта в пассивном доме г. Дармштадта, р-н Кранихштайн. Впервые с помощью окон для пассивных зданий становится возможным пассивное использование солнечной энергии.

В пассивном доме требуется использование таких оконных рам, чтобы при монтаже остекления с Ug = 0,7 Вт/(м2К) в оконную раму усредненный коэффициент теплопередачи окна Uw достигал значения < 0,8 Вт/(м2К) (по методике согласно евро-пейскому стандарту ЕN 10077). Обоснование этого критерия вытекает непосредственно из условий комфорта. В строительных проектах должно быть определено, среди прочего, как гарантировать монтаж этих окон в наружные стены пассивных зданий без тепловых мостов.

Критерии для выбора рам в пассивном доме: при коэффициенте теплопередачи для остекления Ug = 0,7 Вт/(м2К), эффективный коэффициент теплопередачи окна с учетом монтажа в стене достигать Uw,eff ≤ 0,85 Вт/(м2К).

Рис. 15. Сравнение (схематическое): остекление для пассивного дома в стандартной деревянной раме (слева) приводит к значению Uw больше, чем 1,09 Вт/(м2К). Напротив, применяя специальные высокоизолированные рамы для пассивного дома (справа), для U окна достижимо значение менее 0,8 Вт/(м2К)

При этом эффективный коэффициент теплопередачи окна рассчитан по ЕN 10077, включает потери от тепловых мостов с учетом монтажа и рассчитывается по формуле:

где U - коэффициенты теплопередачи (g - остекления, ƒ - рам [frame], w - окон [window]); А - пощади, ψ - линейные коэффициенты теплопередачи (коэффициенты, учитывающие теплопотери через линейные тепловые мосты) и s - длины тепловых мостов (индекс «g» - ребро стекла; «Einbau» - с учетом монтажа в стене).

Для изготовления таких теплоизолированных оконных профилей имеются различные конструктивные варианты:

• рамы с полиуретановой теплоизоляцией со статическими элементами жесткости из стальных, алюминиевых или стекловолоконных профилей;

• пластиковые профили для рам с двумя-тремя воздушными камерами на внутренней и наружной стороне соответственно, с внутренним расположением элемента жесткости;

• с рамы с наружной оболочкой из дерева, металла или пластика и с внутренним заполнением из вспененного пенополиуретана;

• деревянные окна с теплоизоляционным вкладышем из мягкой теплоизоляционной древесно-волокнистой плиты или из бальзы;

• рамы из вторичного пенополиуретана.

Все альтернативные варианты сегодня можно изготовить промышленным способом на базе обычных производственных процессов. Для производства рам, соответствующих второму пункту, можно использовать как обычные производственные процессы на базе ПВХ-окон, так и альтернативные материалы на базе полиолефинов. Добавочные воздушные камеры на внутренней и внешней сторонах создают термическую теплоизоляцию этих рам. Вследствие защиты краев остекления практически полностью устраняются тепловые мосты в стыке остекления и рамы.

Соединение по грани остекления создает термически слабое место. Это становится особенно ясным, если учесть, что при традиционном соединении граней через обе алюминиевые полосы соединяющих профилей (дистанционных рамок. - Прим. перев.) толщиной по 0,5 мм каждая на 1 м ширины переносится такое же количество тепла, как через остекление площадью 15,5 м2 без подобного нежелательного соединения в промежутке между стеклами по грани остекления. Отсюда ясно, что «термическое короткое замыкание» в этом месте можно уменьшить, если вместо обычного соединения с помощью алюминиевого профиля применить термически разделяющую дистанционную рамку (например, дистанционная рамка из комбинации двух материалов - нержавеющей стали и высококачественного полипропилена. - Прим. перев.). На рынке существует большой выбор данной продукции. Дальнейшее улучшение в этом слабом месте возможно с использованием особой конструкции рамы: рамы, пригодные для пассивного дома, имеют на 10...25 мм большую величину заглубления края остекления (высоту защемления стеклопакета. - Прим. перев.), чем у обычных рам. Таким образом, тепловые мосты уменьшаются путем «упаковки». При выполнении заглубленного стыка грани остекления с рамой по сравнению с вышеупомянутым случаем (алюминиевая дистанционная рамка, нет защиты краев остекления) приводит к снижению примерно до 80% значений теплопотерь от тепловых мостов (понижения линейных коэффициентов теплопередачи до 80%).

Рис. 16. Примеры оконных рам, пригодных для пассивного дома. Используются высокоэффективные технологии, разработанные специально для пассивного дома; постоянно появляются новые типы подобных окон

Неправильной является установка окна (с тройным остеклением с низкоэмиссионным покрытием с обычной, используемой сегодня стандартной рамой) в 175-миллиметровой стене из силикатного кирпича с утеплением толщиной 300 мм в плоскости таким образом, что наружная сторона окна расположена заподлицо (в одной плоскости) с наружной стороной кирпичной стены. В данном случае теплоизоляция вообще не перекрывает раму! Это очень неблагоприятный стык, который реально возможен. К сожалению, часто применяется еще один вариант, когда окно располагают еще в более неблагоприятном месте в наружной стене (например, смещая еще дальше внутрь кирпичной стены). В то время как внутренняя поверхность остекления, не подверженная негативным факторам, имеет температуру около +16,8 ˚С при наружной температуре минус 15 ˚С, температура на внутренней поверхности по кромке остекления понижается до +5,5 ˚С. Также типичные температуры на внутренней поверхности Ремы (температуры рамы соответственно в уровне узла соединения края остекления с Рамой, в середине рамы и монтажный стык рамы с наружной стеной) находятся между +11,6 ˚С...+14 ˚С - это явно ниже, чем в правильно установленных окнах. Эти низкие Температуры показывают, что теплопотери такого окна значительно выше, чем можно было бы ожидать при используемом высококачественном остеклении. Высока опасность образования конденсата по краям остекления. У окна (h х b = 1230 мм х 1480 мм) результирующий эффективный коэффициент теплопередачи (-1^.^ оказывается равным 1,82 Вт/(м2 К). Эта величина является заметной. При еще меньшей площади остекления (с размерами меньше 1 м х 1 м) общий коэффициент теплопередачи Uw, eff получается выше, чем 2,0 Вт/(м2 К). Поэтому не всегда проявляется высокое качество тройного остекления с низкоэмиссионным покрытием.

Напротив, на рис. 17 показан реализованный уже в 1991 г. вариант установки окна в пассивном доме г. Дармштадта. Окно с тройным остеклением и с низкоэмиссионным покрытием монтируется снаружи, перед кирпичной стеной, с помощью маленьких металлических пластин или уголков соответственно на консоли из пуренита (высокопрочный пенополиуретан. - Прим. перев.) или дерева. Поэтому окно расположено в благоприятной зоне, внутри 300-миллиметровой теплоизоляционной системы. Данная теплоизоляция дополнительно перекрывает блок рамы по высоте на 68 мм. Результат убедителен - эффективный коэффициент теплопередачи окна снижается и становится менее 0,8 Вт/(м2К).

Архитектурные решения остекления возможны таким способом, что одну часть остекления выполняют глухим (неоткрывающимся). Такое остекление может составить единое целое с теплоизоляционной оболочкой, то есть свободно выходить из непрозрачной оболочки и в ней же заканчиваться. Благодаря этому можно значительно снизить теплопотери по краям окон и создать еще большую долю прозрачных элементов. Тем не менее проектировщик должен предусмотреть, чтобы на каждом фасаде была возможность создать достаточно большие открывающиеся элементы с целью желаемого контакта с наружной средой и возможности целенаправленного летнего сквозного проветривания.

Теплопоступления от пассивного использования солнечной радиации необходимы прежде всего зимой. Сравнение этих теплопоступлений на различно ориентированные поверхности показывает, что южное направление зимой оказывается наилучшим. К тому же зимой солнце стоит так низко, что прохождение солнечных лучей через окно происходит почти перпендикулярно и проникновение энергии очень благоприятно. Малоизвестен, но также важен тот факт, что остекление южной ориентации оптимально также и летом: над южным фасадом солнце в середине лета в наших широтах (Германия. - Прим. перев.) восходит сначала поздно, потом стоит очень высоко, так, что едва касается южного фасада с совсем небольшой энергонагрузкой, и снова быстро заходит. Поэтому солнечная нагрузка при южно ориентированных оконных поверхностях летом мала и не оказывает влияния на внутренний микроклимат. Неблагоприятными для окон являются восточная и западная ориентации. Важно для таких окон не только то, что солнечное излучение зимой очень мало, негативны прежде всего высокие теплопоступления от солнечной радиации летом. Эти теплопоступления труднее ослабить, используя затенение, чем при окнах, ориентированных в южном направлении. Северное остекление не имеет этих недостатков, но имеет малые теплопоступления зимой. Отсюда следует, что площадь северных окон не должна быть слишком большой.

Стандартный путь к пассивному дому ведет к ориентированным на юг, почти незатененным окнам с тройным остеклением, низкоэмиссионным покрытием; окна должны быть не очень большими по площади, с качественно утепленными оконными рамами, при малой величине отношения площади самой рамы к площади остекления.

Кроме этого решения также вполне привлекательными являются другие принципе подходы к которым здесь необходимо добавить еще некоторые уточнения. * * Выступающие части здания из стекла часто становились декорацией экологического строительства. Опыт с большими зимними садами показал, что достижимая экономия энергии на практике мала, к тому же наружное остекление здания очень дорогое.

Рис. 17. Изолированная рама, установка в область теплоизоляции и распределение изотерм в этом соединении

Применять наружное остекление фасадов только из соображений экономии энергии нерентабельно. Если по другим причинам все-таки хочется иметь зимний сад, то при проектировании необходимо проработать следующие моменты:

- нужно избегать больших поверхностей остекления в восточном и западном направ-лениях и плоских наклонных остеклений (летняя жара!);

- предусмотреть возможность затенения и естественного проветривания летом;

- обращать внимание зимой на затенение частей здания, расположенных позади зим-него сада. Может быть, что в здании будет невозможно или затруднено пассивное использование солнечной энергии;

- к теплоизоляционной оболочке здания, примыкающей к зимнему саду, необходимо предъявлять высокие требования, соответствующие стандарту пассивного дома, так как в зимнем саду может быть очень холодно (см. последний пункт);

- необходимо проектировать стеклянные пристройки к фасаду здания неотапливае-мыми. Если пристройка из остекления отапливается, то потребность на отопление очень высока. Тогда стандарт пассивного дома достижим только с использованием специального остекления (соответствующего стандарту пассивного дома) с хорошо теплоизолированными рамами. В настоящее время существуют оконные конструкции большой площади со стойками и ригелями такого качества.

* Если необходимо установить очень эффективную систему, то можно использовать прозрачную теплоизоляцию (TWD). Применение является альтернативным

способом использования солнечной энергии, при этом должна существовать воз-можность временного затенения. Абсорбер (кирпичная стена позади TWD) должен быть массивным. В настоящее время TWD-система намного дороже, чем высокоэффективные окна.

• Солнечные коллекторы могут также устанавливаться на южных, незатененных фасадах. Кроме активного использования солнечной энергии интегрированный коллектор также снижает теплопотери фасада. В общем же коллекторы на сегодняшний день все-таки явно дороже, чем пассивные солнечные компоненты и обычная непрозрачная теплоизоляция. При необходимости установки воздушных солнечных коллекторов (вид солнечного коллектора, в котором в качестве теплоносителя используется воздух. - Прим. перев.) следует обеспечить как герметичность здания, так и герметичность системы коллектора.

• Интересным может быть также планировочное решение окружающих здание поверхностей: например, можно было бы предусмотреть (специально) естественное отражение солнечного и рассеянного света в северные окна благодаря вспомогательным постройкам на северной стороне. Такие постройки нетрадиционны, но являются перспективными.

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 364; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!