нимаются все основные архитектурные и инженерные решения. После этого выполняются рабочие чертежи со всеми необходимыми деталями — с указанием размеров, материалов, т. е. со всем, что требуется для осуществления строительства здания с пассивной гелиосистемой.

Относительная площадь солнцеулавливающих поверхностей в различных климатических зонах может составлять 10—100 % площади отапливаемых помещений. При этом за счет использования солнечной энергии обеспечивается определенная доля f (от 10 до 80 %) тепловой нагрузки отопления и соответственно уменьшается расход теплоты от топливного источника. В случае же использования подвижной тепловой изоляции, закрывающей в ночное время лучепрозрачные поверхности, теплопотери здания значительно снижаются и эффективность гелиосистемы возрастает в 1,5—2,5 раза. При расчете пассивных гелиосистем необходимо определить площадь светопрозрачных поверхностей наружных ограждений здания, используемых для улавливания солнечной энергии, и массу теплоаккумулирующих элементов пола, стен, потолка. Как правило, эти элементы выполняются из бетона, но . для аккумулирования теплоты могут также использоваться емкости, заполненные водой. При этом удельные масса и объем теплоаккумулирующих элементов, отнесенные к 1 м2 площади остекленных поверхностей, ориентированных на юг, определяются в зависимости от доли f (%) солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки отопления как так = С/; 1ак==Соб/. Значения коэффициентов определяются видом теплоаккумулирующего элемента. Так, для емкости с водой С=3кг/(% • м-) и Соб= =0,003 м5/(%-м^), для бетонной или каменной стены (пола) — соответственно 15 и 0,0075.

Следует отметить, что величина / практически соответствует процентному снижению расхода теплоты от обычного топливного источника. Так, например, если требуется снизить теплопотребление дома на 40 %, что соответствует значению /=40 %, необходимые удельные масса и объем водяного аккумулятора теплоты составят соответственно 120 кг/м^ и 0,12 м^/м^, а бетонной стены (пола) 600 кг/м2 и 0,3 м7м2. При /=10-1-80 РУо удельный объем VaK, отнесенный к 1 м^ площади солнцеулавливающих поверхностей южного фасада, равен для емкостей с водой 0,03—0,24 и для бетонной стены (пола) 0,08— 0,6mVm2.

Рассмотрим пример оценки массы теплоаккумулирующих элементов дома жилой площадью 120 м^ при условии, что требуется снизить теплопотребление за счет солнечной энергии на 60% и что площадь светопрозрачных поверхностей, улавливающих солнечную энергию, равна 40 м2. Аккумулирование теплоты осуществляется в бетонном полу. В соответствии с приведенными выше данными необходимый удельный объем теплоаккумулирующего бетонного пола составит Уак = Соб/ = 0,0075-60 = 0,45 мV^^^ а всего требуется Уак = 40-0,45= 18 м^ бетона. Это означает, что пол должен иметь толщину 0,45 м. Необходимым условием эффективного функционирования пассивной системы отопления является рациональное размещение теплоаккумулирующего элемента, обеспечивающее его облучение Солнцем в течение как минимум 4 ч в день. Для этого он доллсен быть размещен непосредственно вблизи остекления.

Как должно быть ориентировано здание с пассивным использованием солнечного излучения для отопления? Наилучшая ориентация здания — южная, однако допускается отклонение фасада здания до 30° к востоку или западу.

Системы прямого улавливания солнечной энергии.

В пассивных гелиосистемах этого типа (см. ряс. 32, а) улавливается солнечное излучение, поступающее внутрь здания через остекленные поверхности окон в южной стене. Для наилучшего использования солнечной энергии окна .юл<ной ориентации должны иметь определенную площадь. Оптимальная величина удельной площади всех южных окон Сок, отнесенная к 1 м^ жилой площади дома, зависит от средней температуры наружного воздуха в зимний период (точнее, в декабре и январе) Гв и от степени теплоизолированности дома:

Температура наружного воздуха зимой Гв, °С Удельная площадь южных окон Оок, mVm^: в стандартном жилом доме в доме с улучшенной теплоизоляцией I

_10 —7 —4 —1

0,44 0,4 О,.35 0,3 0,26 0,2 0,17 0,32 0,28 0.25 0,2 0,16 0,14 0.12

в некоторых зданиях предусмотрено остекление части крыши или южной стены чердака, сообщающейся с отапливаемыми помещениями.

Пример 1. Рассчитать площадь остекленной поверхности южного фасада дома площадью 100 м^, необходимую для обеспечения 50 % тепловой нагрузки отопления. Дом оснащен пассивной системой прямого улавливания солнечной энергии, находится в Крыму, и его южный фасад не затеняется. Для данного местоположения дома при относительной площади остекления, приходящейся па 1 жилой площади дома, равной 0,18 мVм^ обеспечивается снижение теплопотребления на 18 % (бе.ч применения теплоизоляции окон в ночное время) и на 44 % (с применением тепловой изоляции), а при Оок = 0,36 м^/м — соответственно на 24 и 68%. Построив график линейной зависимости между Сок и снижением теплопотребления (%), можно найги такое значение Яон, которое соответствует заданному значению (50 7о) снижения теплопотребления. Получаем Оо!<= = 0,225 mVm в случае использования тепловой изоляции в ночное время. Требуемая площадь остекления равна Лок = Ио.кЛпол = = 0,225-100=22,5 м^.

Количество солнечной энергии, пропущенной через окно внутрь помещения за определенный промежуток времени (час, день), определяется количеством солнечной энергии, поступающей на вертикальную поверхность в данной местности с учетом ориентации и возможного затенения окна, а также его пропускательной способностью. В табл. П2 приведены значения суточных количеств солнечной энергии Е, поступающей на горизонтальную поверхнос1ь, и fnp, пропущенной через окно в вертикальной стене различной ориентации в ясный день для 21 числа каждого месяца на широте 40—56° с. ш. При этом величина £пр отнесена к 1 м^ площади окна.

С учетом теплопередачи через окно общее количество солнечной энергии (МДж/ди), пропущенной через одно за день, определяется по формуле

QoOT = [£^пр^зат ^ К (^в — ^я)1 -^oKi

где Еир — количество пропущенной солнечной энергии, МДж/м2 в день; Каат — коэффициент затенения окон (табл. 6); К —коэффи*

Таблица 6. Коэффициент затенения при толщине стекла 3 мм

циент теплопередачи через окна, Вт/(м2-К); ia и /н — температуры внутреннего и наружного воздуха, °С; Лок —площадь солнцеулавлн-вающего остекления южной стены, м,

Расчет количества солнечной энергии, проходящей через окна, за средний облачный день выполняется по формуле

QoKH = ^^окн — ®^проп ^зат -^он

где е — коэффициент, учитывающий ослабление плотности потока поступающей солнечной энергии в облачны^ день по сравнению с ясным днем (для ясного дня е=1).

Пример 2. Рассчитать количество солнечной энергии, поступающей через южное окно с двойным остеклением площадью 8 м^ в средний облачный день 21 января в доме, расположенном на широте 48° с. ш.

Через одинарное остекление на южной стороне дома за ясный день 2 января на широте 48" с. ш. проходит 15,91 МДж/м^ в день. Коэффициент затенения берем из табл. 6, для двойного остекления без штор Кзат = 0,87. Для среднего облачного дня принимаем е = 0,6. Количество солнечной энергии, пропущенной окном с двойным остеклением за средний облачный день, равно Q°^f, = 0,6-15,91 •0,87-8 = = 60,44 МДж.

. Расчет площади теплоаккумулирующей стены Тромба и примыкающей к зданию гелиотеплицы. Требуемая площадь поверхности (м^) остекленной южной теплоаккумулирующей стены Тромба определяется по формуле Лст = =аотЛпол. Аналогичная формула используется для определения площади остекленной поверхности пристроенной к южному фасаду здания гелиотеплицы (оранжереи, зимнего сада): А

теп — ^теп-^пол-

Значения удельной площади стены Тромба аст и пристроенной к южной стене дома гелиотеплицы Отеп, отнесенные к 1 м2 площади отапливаемых помещений, зависят от средней для зимнего периода (точнее, для декабря и января) температуры наружного воздуха в местности. Где расположен дом, и материала, в котором происходит

аккумулирование теплоты. В обеих рассматриваемых пассивных гелиосистемах отопления аккумулирование теплоты может происходить в бетонной или каменной стене, расположенной на небольшом расстоянии от остекления (стена Тромба) или отделяющей теплицу от дома, или в емкостях с водой, поставленных друг на друга таким образом, что они образуют сплошную стену. В табл. 7 Приведены значения удельной площади поверхности остекления стены Тромба Gct и примыкающей к южной сте-недома гелиотеплицы (оранжереи, зимнего сада) в зави-

. симости от температуры наружного воздуха зимой я способа аккумулирования теплоты. Толщина теплоаккумулирующей стены зависит от вида строительного материала, из которого она сделана. Так, каменная стена

Таблица 7, Удельная площадь остекления стены Тромба Ост и гелиотеплицы атеп. отнесенная к 1 площади отапливаемых

помещений дома (мум^)

должна иметь толщину от 200 до 300 мм, кирпичная — от 250 до 350 мм, а бетонная — от 300 до 450 мм. Стена, составленная из емкостей с водой, должна иметь толщину не менее 150 мм. Суточные колебания температуры воздуха внутри помещений с увеличением толщины стены уменьшаются. Так, при использовании бетонной стены температура воздуха колеблется в пределах ±7 °С при толщине стены 200 мм, ±4 °С при толщине 300 мм, ±2,5 °С при толщине 500 мм и ±1 °С при толщине 600 мм. Скорость распространения теплоты в стене определяется отношением коэффициента теплопроводности материала к его объемной теплоемкости: она тем выше, чем больше это отношение. При этом стена может иметь большую толщину.

Пример 3. Определить площадь стены Тромба, необходимую для покрытия за счет солнечной энергии 50 % тепловой нагрузки отопления помещения площадью 40 м^ при средней температуре наружного воздуха в знмиие месяцы 0—2 °С.

По табл. 7 находим среднее значение Ост= 0,475 м^/м" при Га= =2°С. Для покрытия всей тепловой нагрузки требуется бетонная стена Тромба площадью Лст=ас1/4пол=0,475-40= 19 м^ Для обеспечения 50 % тепловой нагрузки отопления необходимо иметь бетонную стену площадью 9,5 м^ При этом температура воздуха в помещениях будет поддерживаться на уровне 18°С при условии, что остальные 50 % тепловой нагрузки будут покрываться топливным источником.

Пример 4. Определить требуемую площадь поверхности остекления пристроенной к южному фасаду здания гелиотеплицы при следующих условиях: средняя температура наружного воздуха в зимние месяцы равна 0°С, площадь отапливаемых помещений 120 м^ доля покрытия тепловой нагрузки за счет солнечной энергии равна 0,6.

Принимаем по табл. 7 для бетонной стены при 0°С атеп=0,83. С учетом заданной доли солнечной энергии в обеспечении тепловой нагрузки получаем требуемую площадь южной поверхности остекления гелиотеплицы: /1теп = 0,83.0,6-120=59,76 М».

Масса теплоаккумулирующих элементов и их размещение в здании. Поступающая через светопрозрачные поверхности остекления солнечная радиация поглощается частью внутренних поверхностей отапливаемых помещений здания или отражается ими на другие внутренние поверхности. Энергия, поглощенная поверхностью, передается внутрь материала путем теплопроводности. Увеличение температуры теплоаккумулирующих элементов, вызываемое поглощением солнечной энергии, может быть приближенно определено по формуле = Qnor^/(VC), где Qnorn — количество поглощенной энергии^^ Дж; V —

объем теплоаккумулирующего элемента.

удель-

ная объемная теплоемкость материала, Дж/(мЗ-°С).

Поглощательная способность поверхности зависит от материала, из которого она сделана, и ее цвета. При падении солнечных лучей по нормали к поверхности поглощательная способность а различных материалов имеет следующие значения: для бетона — 0,6, красного кирпича— 0,68, гранита — 0,55, песчаника — 0,54, черепицы — 0,69, древесины (сосны)—0,6. Поглощательная способность а зависит также от цвета поверхности: для белого—0,18, желтого — 0,33, темно-красного — 0,57, коричневого — 0,79, серого — 0,75, черного (матового) — 0,96, светло-зеленого — 0,5, темно-зеленого — 0,88.

Эффективность пассивных гелиосистем отопления зданий существенно зависит от массы теплоаккумулирующих элементов и их размещения в здании. Увеличение суммарной теплоемкости солнцеулавливающих теплоаккумулирующих элементов, отнесенной к 1 площади остекленных поверхностей здания, повышает эффективность пассивной гелиосистемы прямого улавливания солнечной энергии до определенного предела. При C=175-f- . -f-225 Вт-ч/(м2-°С) график зависимости эффективности системы от общей теплоемкости стремится к горизонтальной линии, т. е. достигается максимальная эффективность. Поэтому минимальная масса теплоаккумулирующих элементов соответствует значению суммарной теплоемкости С, отнесенной к 1 площади остекленных поверхностей, пропускающих солнечную энергию внутрь здания, равному 175 Вт-ч/(м2-°С). При больших значениях массы теплоаккумулирующих элементов вся или почти вся уловленная солнечная энергия полезно используется, поглощаясь теплоаккумулирующими элементами, и не происходит перегрева здания, а суточные изменения