Остальные общепринятые добавочные теплопотери и поправки в данном случае не учитываются, так как они постоянны и в оптимизащюнных расчетах роли не играют.

4.Выполняют расчеты по формуле (5.10) для различных значений кис при условии, что остальные параметры const.

Из графика изменения Q^j^ (рис. 5.6) видно, что минимальные тепловые потери соответствуют значениям с = 10 м и fc = 0,6. Очевидно, в данной ситуации следует ориенти-. роваться на трехэтажное здание с высотой этажа 3,3 м.

Сообразуясь с сущест^^уклцими нормами и стандартами, принимают следующие размеры здания:Ь=ск = 6м;а = (^^ ) = 6м.

Объем здания несколько увеличится и составит = 360 м^.

Здесь следует заметить, что принятое решение далеко не единственное. В равной мере можно было принять с = 6, к = 2 или с = 3, к = 3. Отличие по теплопотерям незначительно, ио в принципе это уже могут быть здания одноэтажные или двухэтажные. Таким образом, на основании приведенной формулы можно получить комплекс решений, предусматривающих пониженные теплопотери.

5.На основании полученных данных определяют площадь окон по формулам (5.8) и (5.9):

•ок, а-с» 4,3 м2; j,-c= 4.3 м2.

Таким образом, общая площадь оконных проемов составит 8,6 м^. Это предварительное значение, так как окончательно площадь будет выбрана после планировочного решения помещений и определения степени освещенности дневным светом.

6.По требуемому термическому сопротивлению делают окончательный выбор строительных конструкций и наружных ограждений и определяют реальное термическое сопротивление.

7.Далее уточняют объемное решение здания по минимуму тепловых потерь с учетом принятых конструкций наружных ограждений.

8.По данным объемного решения здания выполняют внутреннюю планировку, уточняют места расположения оконных проемов и их размеры, располагают дверные проемы и т. д.

В дальнейшем задача строительного проектирования состоит в том, что реальные Конструкции привязывают к укрупненно полученным линейным размерам здания.

5.4. ОБСЩЕ КОШОНОВОШОЛЕ РЕШЕНИЯ ЗДАНИЙ С ПАССИВНЫМИ OICTEbtAMH

В задачу архитектурно-строительного проектирования органично входит оценка теплотехнических характеристик здания с пассивной системой. В этом плане решают целый комплекс задач.

Прежде всего уточняют ориентацию здания, его расположение на местности. Оценивают влияние здания на существующую застройку, а также окружающей среды на здание. Так, если в примере 5 предварительно принять решение установить гелиоприемники на южной и восточной стенах, то аккумулятор тепла по объему сможет обеспечить, двух- или трехсуточный запас тепла. Однако реально восточная стена,

20 18 16

tme. 5.6. Графики

изменения тспловых

Од 6 3 12 15 см

например, полностью затеняется рядом стоящим зданием. Здесь либо необходимо отказаться от теплосъема с восточной стены, либо планировать стену юго-восточной ориентации. Соответственно принятому решению изменится теплоемкость аккумулятора и его размещение.

Очень важно проанализировать тепловой баланс здания с целью исключения неоправданных потерь теплоты. Так, например, можно сократить излишнюю площадь оконных проемов, которая стала традиционным явлением, хотя удовлетворительный обзор окружающего ландшафта не обязательно связан со стеклянными стенами или большими окнами. Приток наружного воздуха в здание может быть сокращен в результате уменьшения неплотностей в оконных проемах и наружных ограждениях. Излишне велики потери теплоты через наружные двери, а также из-за поступления наружного воздуха по каналам вентиляции. Целесообразно предусматривать мероприятия по утилизации тепловых выбросов из здания. Здесь могут быть использованы утилизационные установки в системах вентиляции, а также для отбора теплоты сточных вод. Заметный вклад в тепловой баланс дают внутренние тепловые выделения, что важно учитывать при конструировании пассивной системы. Существенного снижения тепловых потерь можно добиться, защитив здание от интенсивных ветровых потоков путем использования особенностей ландшафта или существующей застройки.

Внутренняя планировка должна учитывать наличие элементов пассивной системы, конвертирующей теплоту во внутренний объем. Тепловоспринимающие ограждения прогреваются днем и отдают теплоту практически до утра. Однако они же являются источником дополнительной теплоты в жаркий период. Теплоноситель - воздух обычно циркулирует за счет гравитации, что требует соответствующей организации перетекания воздуха внутри здания, а значит, и соответствующей компоновки помещений. Аккумуляторы теплоты наиболее

эффективны при размещении во внутреннем объеме, что предполагает их использование как строительного элемента или элемента интерьера.

Чрезвычайно важно обеспечить простоту эксплуатации и надежность работы. Чем меньше элементов, требующих контроля и управления, тем эффективнее работа пассивной системы; этот аспект очень важен как с технической, так и с психологической точек зрения.

Ниже рассмотрены несколько возможных вариантов компоновки пассивных систем.

Одним из наиболее известных способов использования солнечной энергии для поддержания теплового режима является свободная инсоляция внутреннего объема через наружное .остекление. Несомненным преимуществом такого способа является его простота - конструктивная и технологическая. Вместе с тем для этой системы характерны и существенные недостатки, а именно:

в дневное время происходит недопустимое возрастание, а в ночное время - резкое снижение температур внутреннего воздуха, что требует неорганизованного сброса тепла через окна и двери днем, а ночью - затрат значительных мощностей на поддержание расчетных температур;

пребывание людей возле стеклянных ограждений большой площади нежелательно из-за вероятности прямого ослепления солнечными лучами, а также из-за нежелательных потерь тепла с поверхности тела в холодильный период;

полностью исключить инфильтрацию практически невозможно, а это влечет за собой переохлаждение организма обитателей такого здания.

Вместе с тем эти системы при некоторой модификации могут быть достаточно эффективны (рис. 5.7) В данном случае целесообразны следующие мероприятия:

между остеклением и зоной пребывания людей необходимо устраивать "буферную зону", исключающую ослепление, перегрев и другие негативные факторы;

в период интенсивной инсоляции следует обеспечить циркуляцию внутреннего воздуха через область значительного нагрева, при этом теплозащитный экран открывается.

Расположение теплоприемников должно обеспечивать максимально возможный приток теплоты в холодный период и минимальный тепловой избыток - в жаркий. Наиболее простым устройством, воспринимающим поток солнечной радиации и конвертирующим его во внутренний объем, является "Стен Тромба-Мишеля", где теплоноситель-воздух. В большинстве случаев предполагается, что поступление теплоты происходит за счет естественной конвекции и радиационного излучения во внутренний объем (прогретая днем стена отдает свое тепло ночью). Последнее, как правило, малоэффективно. В дневное

122

Рк. 5.7. Схалы пассивной опсршой системы

в - традиционная; б - модифицированная; 1 - стекло; 2 — теплозащитный экран; 3 -"буферная зона"

Время стена в достаточной степени прогревается только на глубину 100 ... 120 м. Ночью эта теплота свободно уходит в окружающую атмосферу и лишь очень незначительная часть ее за счет теплопроводности доходит до потребителя.

Такая стена в жаркий период является еще и источником дополнительного тепла, что вносит существенный дискомфорт. В связи с этим целесообразно на внешней поверхности стены размещать тепловую изоляцию, а в межстекольном пространстве - теплоприемный экран из материала с высокой теплопроводностью (см. рис. 5.3, б). Это позволит за сравнительно короткий зимний день передать во внутренний объем максимально возможное количество теплоты. Теплоприемный экран нагревается до довольно значительных температур - 100 ... 120 °С и естественная конвекция идет достаточно интенсивно. В ночное время каналы циркуляции воздуха закрываются. Тепловые потери при этом сводятся к минимуму. В жаркий период тепловая изоляция на внешней поверхности стены исключает дополнительный перегрев помещений.

При конструировании важно правильно выбрать расстояния между теплопри^мным экраном и стеклом - 2 (5 j, а также между экраном и стеной - 2 S2 (см. рис. 5.3, б). Здесь S ih S 2 примерно равны и могут быть выбраны на основании общеизвестных уравнений пограничного слоя дляестественной конвекции. Наиболее устойчивые результаты дают следующие зависимости [1,2,3]:

для ламинарного режима

8 = Ж _ „ „»,^...0.25. ^.^..^tgH3^ .

(5,11)

Nu

для турбулентного режима

(5.12)

где Н — высота теплоприемного экрана, м; Nu - число Нуссельта; От - число Грасгофа; At, Рт — критерий Прандтля.

Высота теплоприемника в значительной степени влияет на его производительность. Определить наиболее рациональную высоту можно из условия

тс„

> 4,

(5.13)

где oL р~ коэффициент теплообмена на поверхности теплоприемного экрана, Вт/(м2-0С); при естественной конвекции у плоской стенки таких коиструкцийс^р = 3,5 .... 4 Вт/(м^.°С);

— площадь теплоприемного экрана на 1 м ширины, м^: для сложных форм F^ определяют по всей поверхности контакта; m — массовый расход теплоносителя в межстекольном пространстве на 1 м ширины трпл^гриемника, кг/ч; Ср — удельная теплоемкость воздуха при средней температуре t=-"-j- " " - ^

В формуле (5.13)

m = 3m\)fii\;

Дж/(кг.°С).

(5.14)

2gHp -р вх вых

л -ел

\1 щ

(5.15)

где г/ — средняя скорость движения воздуха в прослойке, м/с; р — средняя плотность воздуха в прослойке, кг/м^; Д — толщина воздушной прослойки, мм: д = 4 «У \ g— ускорение свободного падения, м/с^; Fi — высота между центрами входного и выходного отверстий, м; уз вх ~ плотность входящего в теплоприемник воздуха, кг/м^; J> g^^^ — плотность воздуха на выходе из теплоприемника, кг/м^; 1] ^ - сумма местных сопротивлений.

Решая уравнение (5.13) относительно F^, можно определить высоту Н. Необходимо отметить, что превышение я над расчетной приводит к снижению эффективности теплоприемника. Температура теплоносителя растет незначительно, но возрастают теплопотери через остекление и КПД резко падает. Для одноэтажных зданий с большой высотой этажа теплоприемник можно разделить на две части или более.

Площадь живого сечения f„ „входных или выходных каналов

Ж.С

определяют из уравнения

Ж.С

3600pi

2gh( р -р ) ^ вх вых

(5.16)

где - суммарный (т.е. на проектируемую ширину) массовый расход воздуха в межсте-кольиом пространстве теплоприемника, кг/ч.

Рис 5.8. Схема пассивной закрытой системы с аэродинамическим эа1В(фом

1 — стена; 2, 5 — выходной и входной воздушные каналы; 3 - л^ежстекольное пространство; 4 -стекло; 6 — теплоприемный экран; 7 — тепловая изоляция; 8 — аэродинамический затвор

Практика эксплуатации теплоприемников с циркулируемой воздушной прослойкой показывает, что достаточно интенсивное движение воздуха у пола помещений и особенно у входных каналов отрицательно сказывается на здоровье обитателей "солнечного" дома. Здесь целесообразно установить защитный экран, играющий одновременно •роль аэродинамического затвора (рис. 5.8).

Наружное остекление теплоприемника должно быть по возможности герметичным. Однако на практике используют стандартные оконные блоки, чаще деревянные, которые не обеспечивают хорошее уплотнение. Поэтому желательно дополнительно уплотнить места стыковки оконных элементов. В перспективе, очевидно, необходимо переходить на навесные конструкции теплоприемников заводского исполнения. Это значительно повысит их эффективность и будет способстововать индустриализации строительства. При установке теплоприемников в галереях целесообразно обеспечить свободный доступ к остеклению для осмотра и периодической промывки. В этом случае рамы оконных блоков должны открываться наружу.

Теплоприемный экран в принципе может быть изготовлен из любого материала с высокой теплопроводностью. Окраска должна Ьбеспечи-вать степень черноты порядка 0,6 ... 0,9 по отношению к солнечному излучению.

В последнее время ведется поиск более эффективных, чем плоская, форм теплоприемной части. В частности, рассматривается z-образная, шиповая, чешуйчатая формы и т.п. При выборе типа теплоприемной поверхносТк необходимо учитывать особенности теплообмена в межстекольном канале. Например, z-образной поверхности коэффициент теплообмена <^ р тот же, что и для плоской вертикальной стенки, изменяется только площадь контакта поверхности на единицу ширины теплоприемника F^. Вследствие этого возрастает температура воздуха На выходе из гелионагревателя, а следовательно, и расход в межстекольном пространстве - т. В общем значении всего комплекса ^ Л)/("С£;) несущественно увеличивается по сравнению с гелионагре-