Принцип работы солнечного коллектора

Через окна южной ориентации в солнечную погоду в здание проникает значительное количество солнечной энергии. Стекло свободно пропускает коротковолновое световое излучение, но неохотно пропускает в обратном направлении длинноволновое тепловое излучение, которое испускают нагретые солнечными лучами поверхности, находящиеся внутри помещений.

Еще в мае 1947 г. исследования Ф. У. Хатчинсона показали, что зарегистрированное количество поступающего через окна с двойным остеклением южных стен домов солнечного тепла в большинстве городов США более чем достаточно, чтобы компенсировать неизбежные потери при пропускании через стекло.

Рис. 1. Схема распределения солнечного теплового потока. Разрез через стекло.

В полдень типичного солнечного дня середины лета на 40° с.ш.; плотность потока солнечного излучения на поверхности обращенной на юго-запад, составляет около 550 Вт/м². Такая конструкция обращенных на юг окон связана с требованием, чтобы теплоемкость внутреннего пространства здания была достаточно большой, чтобы поглощенное избыточное тепло эффективно сохранялось, а помещения не требовали проветривания. Чем лучше качество изоляции стен и окон, тем меньше тепла будет потеряно при теплопередаче и тем больше должна быть теплоемкость помещения в целом.

Рис. 2. Солнечная ловушка.

Следует подчеркнуть, что большие площади остекления действительно влекут за собой большие первоначальные затраты на отопительную систему из-за дополнительных потерь тепла через стекло, которое заменило собой сплошную непроницаемую стену. Кроме того, для данной широты местности общее количество поступающей солнечной радиации не меняется, несмотря на облачность, и тепловые потери зависят только от наружной температуры. Поэтому применение остекления большой площади в мягком климате обеспечивает большие возможности для снижения потребности в сезонном отоплении, чем в холодном климате на той же широте. Количество солнечной энергии, поступающее через обращенное на юг окно в средний солнечный день, зимой больше, чем в средний солнечный день летом. Это объясняется рядом причин: 

• Несмотря на то, что продолжительность светового дня летом больше, чем зимой, количество часов возможного освещения солнцем окна, выходящего на юг, зимой больше, чем летом. Например, на 35° с.ш. 21 июня продолжительность солнечной инсоляции может составлять 14 ч.
• Однако солнце появляется с северо-востока после 8 ч 30 мин и уходит на северо-запад после 15 ч 30 мин; таким образом, непосредственное прямое освещение Солнцем обращенной на юг стены длится всего лишь 7 ч. Однако 21 декабря Солнце освещает южную стену полные 10 ч, т.е. все время, пока оно находится над горизонтом. 

• Плотность потока солнечной радиации на плоскости, перпендикулярной солнечным лучам, летом и зимой примерно одинакова. Потери энергии солнечной радиации при прохождении лучей через атмосферу компенсируются тем, что зимой Солнце ближе к Земле, чем летом. 

• Поскольку зимой Солнце находится ниже над горизонтом, его лучи направлены в окна под более прямыми углами, чем летом, когда Солнце находится на большей высоте. На 35° с.ш. а средний зимний час на 1 м² окна может поступить в 1,5 раза больше энергии, чем летом. 

• Излучение зимнего неба (из-за рассеивающего эффекта атмосферы) в 2 раза превышает излучение летнего неба. 

• Чем ближе к прямому углу угол падения солнечных лучей на окно, тем выше общий коэффициент пропускания. Зимой этот коэффициент выше, чем летом. 

• При правильном затенении окно можно закрыть от большей части прямого летнего солнечного излучения.

Вывод Хатчинсона состоит в том, что зимой через выходящие на юг окна поступает в 2 раза больше солнечной радиации, чем летом. А если летом окна затенить, то разница оказывается еще большей. Хатчинсоном был составлен исключительно полезный график. Он может быть использован в процессе проектирования для приближенного определения количества солнечного тепла, поступающего через обращенные на юг окна в течение 7 мес.

Вывод, который можно сделать, состоит в том, что влияние типа окна и широты местности относительно невелико по сравнению с влиянием температуры наружного воздуха и нестабильностью солнечной погоды.Нередко шторы или задернутые занавески уменьшают поступление солнечной энергии в помещение. Применение таких средств, как изолирующие ставни, закрывающие окна на ночь, существенно снижают потери тепла и увеличивают общий уровень полезного поступления тепла. Поступление тепла и потери тепла через окна, зависят от типа оконной рамы. Для окон с деревянными рамами по сравнению с алюминиевыми уменьшение летнего поступления тепла и зимних потерь тепла является весьма существенным.

Таким образом, для изготовления рам в новых зданиях целесообразно применять дерево. Замена оконных рам в существующих зданиях также имеет смысл. Для экономии энергии имеет значение и тип стекла. Стекла всех типов (прозрачное, теплопоглощающее, теплоотражающее) теряют примерно одинаковые количества тепла из-за теплопроводности. Однако количества солнечного тепла, которые передаются стеклами этих трех типов, сильно различаются.

Более практичным решением, как альтернатива применения теплопоглощающих или теплоотражающих стекол является использование растительности и регулируемых затеняющих устройств. Затеняющие устройства снаружи здания наиболее эффективны; устройства между двумя слоями остекления (например, подъемные жалюзи) несколько уступают им по эффективности; внутренние устройства (ставни, шторы, занавеси) наименее эффективны, т.к. преграждают путь солнечным лучам только после того, как они проникли в здание.

Реклама теплопоглощающих и теплоотражающих стекол отмечает, что эти материалы уменьшают как первоначальную стоимость оборудования для кондиционирования воздуха, так и затраты на его эксплуатацию, особенно в части расхода энергии. Однако экономия обычно определяется в результате сравнения затрат с соответствующими данными для зданий с ограждающими конструкциями, выполненными из стекла, а не с данными для зданий, уже спроектированных с учетом мероприятий по экономии энергии. При этом не отмечается, что существенная экономия может быть достигнута, если вместо стеклянных стен с западной, северной, восточной ориентацией применить хорошо изолированные стены с уменьшенной площадью остекления, а также рационально проектировать здания для беспрепятственного проникновения солнечных лучей через южное остекление зимой и исключить эту возможность летом. Все четыре (или более) фасада здания необязательно должны иметь одинаковый внешний вид. Это чаще всего касается зданий с большими площадями остекления. Хотя могут быть экономические, социальные и другие причины для строительства зданий в виде стеклянных коробок. Обращенное на юг остекление можно легко затенять наружными козырьками над стеклом. Главная трудность при проектировании фиксированных козырьков заключается в том, что величина затенения, возникающая от тени козырьков на стекле, зависит в основном не от календарных земных времен года, а от положения Солнца.

Применение регулируемых затеняющих устройств дает большие возможности. Регулируемое затенение, расположенное между двумя стеклами окна, не так эффективно, как наружные устройства, но более эффективно, чем внутренние, которые наиболее удобны для использования людьми, находящимися в здании. Регулируемое затеняющее устройство Скайлид приводится в действие с помощью энергии Солнца. Такое жалюзийное устройство находится внутри здания для защиты от атмосферных воздействий. Все элементы жалюзи поворачиваются одновременно: в открытом положении они пропускают солнечные лучи, а в закрытом не пропускают, изолируя окно и сохраняя внутри тепло (или прохладу). На одном из жалюзийных элементов смонтированы две емкости, соединенные небольшой трубкой. Между емкостями протекает фреон, расширяясь и сжимаясь в зависимости от температуры, которая определяется главным образом солнечным теплом, попадающим на выступающую наружу емкость. Когда солнце нагревает фреон, из выступающей наружу емкости он перетекает в другую, уравновешивая жалюзийные элементы и заставляя их закрываться.

Кроме автоматического управления жалюзи можно регулировать с помощью ручного рычага. Зимой система работает в обратном порядке: солнце заставляет жалюзи открываться в солнечные часы и закрываться ночью, удерживая тепло в помещении.

Рис. 3. Система Скайлид. Схема работы в летнее время:

а - солнца нет; б - солнечная погода;

1 - отражающая поверхность; 2 - элемент жалюзи, заполненный изоляцией; 3 - верхняя емкость заполнена; 4 - нижняя емкость пуста; 5 - солнце; 6 - тепло (прохлада) отражается назад в помещение; 7 - верхняя емкость пуста; 8 - нижняя емкость заполнена. 

1

2

3

Рис. 4. Некоторые области применения системы Скайлид:

1 - пилообразная крыша; 2 - юг; 3 - фонарь верхнего света; 4 - плавательный бассейн - теплица - внутренний дворик; 5 - жилой интерьер.

Очень трудно затенять обращенное на восток и запад остекление, потому что высота солнца над горизонтом мала как летом, так и зимой. Одним из средств для затенения в этом случае являются вертикальные жалюзи или элементы, подобные им. Одним из методов достижения эффективного затенения заключается в том, что обращенное на восток или запад остекление целесообразно переориентировать на север или юг.

При ориентации остекления на север будет пропускаться только непрямой свет, создающий благоприятное освещение для жизни и работы. А при ориентации освещения на юг обеспечивается поступление солнечного тепла зимой.

Для этого применяется, как правило, пилообразное расположение окон на западном или восточном фасадах здания.

Рис. 5. Пилообразное расположение окон на западном фасаде здания, обеспечивающее поступление солнечного тепла зимой, но исключающее летом:

1 - выступ здания; 2 - наружный выступ; 3 - верхний экран; 4 - наружная стена; 5 - регулирующая тепловой поток штора; 6 - двойное остекление; 7 - боковое затенение; 8 - план; 9 - вид сбоку.

Рис. 6. Некоторые конфигурации затенения для окон, обращенных на юг.