Енергийна ефективност

Системи за пряко и непряко слънчево акумулиране

Енергийната криза, рискът от прекъсвания или нередовни доставки на конвенционални енергоносители и необходимостта от опазване на околната среда, стимулират търсенето на нови решения за подобряване на топлинния баланс на сградите с използване на слънчевата енергия. Въз основа на критерия за съхранение, разпределение и време за разреждане на съхранената топлина, решенията за пасивно слънчево акумулиране могат да бъдат разделени на системи за пряко слънчево акумулиране и за непряко слънчево акумулиране.

1. Въведение

В настоящата геополитическа ситуация и пред лицето на нарастващата заплаха от задълбочаваща се енергийна криза, приоритет е да се търсят нови решения за намаляване на търсенето на конвенционална енергия, особено в строителния сектор, който е отговорен за приблизително 40% от глобалната консумация на енергия и над 36% от емисиите на въглероден диоксид. Дейностите, насочени към постигането на тази цел, които са ограничени до законодателството, което налага по-строги изисквания по отношение на топлинната устойчивост на ограждащите елементи на сградите или системите за рекуперация на топлина, далеч не са задоволителни. Стандартите за проектиране и изпълнение трябва да включват необходимостта от използване на енергия от възобновяеми източници, внедряване на иновативни решения, които съчетават благоприятни икономически ефекти с осигуряване на здравеопазване и комфорт на обитателите, като същевременно намаляват неблагоприятното въздействие на сградите върху природната среда. Значителни резерви в това отношение имат сградните ограждащи елементи. Свидетели сме на тяхната еволюция от традиционни и монофункционални към многофункционални или дори интерактивни, базирани на нови материали с подобрени свойства и използване на авангардни технологии, които позволяват реакция към променящите се условия на околната среда. Ограждащите елементи на сградите имат специална характеристика: способността да подобряват топлинния баланс благодарение на фототермичното преобразуване на енергията на слънчевата радиация.

2. Системи за пряко слънчево акумулиране

Прякото слънчево акумулиране е най-основната форма на улавяне на слънчева топлина. Слънчевата радиация, проникваща през стъклопакета, се абсорбира от топлинната маса, вградена в пода и стените, където претърпява фототермично преобразуване (Фигура 1). Количеството му се определя от конструктивните особености на сградата, ориентацията на остъкляването спрямо кардиналните посоки или топографията и растителността и строителните елементи, които могат периодично да засенчват остъкляването.

Фигура 1. Схема на работа на система за директно слънчево усилване. 1—стъкло; 2—топлинна маса; 3—топлоизолация.

По време на проектирането на системи за директно слънчево усилване е достатъчно да се изберат гореспоменатите елементи, топлинната маса на сградата и диверсификацията на топлинното усилване, така че да се гарантира максимално събиране на топлина по време на слънчевата радиация, като същевременно се минимизира рискът от превишаване на целевата температура ниво на вътрешния въздух.

Сред основните структурни характеристики на сградата, които влияят на прякото слънчево акумулиране, е обърнат на юг прозорец, с двоен стъклопакет, със значителна повърхност и система за нощна изолация на прозореца, като защита срещу прекомерни топлинни загуби. Въпреки това, остъкляването на значителна площ може да доведе до неконтролирано повишаване на температурата в помещенията. Ключов фактор става изборът на адекватни топлофизични параметри на стъклопакета според предназначението на помещението и неговата ориентация спрямо посоките на света. Причината, поради която е трудно да се избере универсален стъклопакет, който дава най-благоприятния енергиен баланс, е, че параметрите на пропускливостта на слънчевата енергия и топлинното съпротивление са значително различни. Наред с другото, изолацията може да бъде подобрена чрез използването на усъвършенствани стъклопакети, съдържащи:

Тези методи могат значително да намалят коефициента на топлопреминаване на стъклопакета, Ug (с аргон с -22,2%, с криптон с -33,3% и с ксенон -41,1%), в сравнение с Ug на стъклопакети, пълни само с въздух. В своите експерименти върху въртящи се стъкла, Салех и други изследователи установяват, че азимуталното въртене на остъкляването, при запазване на първоначалната посока на стената, е ефективно средство за подобряване на слънчевата топлина в пространството (намаляване или увеличаване на топлината, респективно за охлаждане или отопление).

Когато не се изисква пълна прозрачност на стъклопакета, пространствата между стъклопакетите могат да бъдат запълнени с прозрачен изолационен материал (ПИМ), който има слънчева пропускливост: например капилярен поликарбонат или стъклопакети, пълни с гранулиран аерогел или клетъчен пълнеж, намаляващ дела на конвекцията в топлообмена (Фигура 2).

Фигура 2. Примери за прозрачни изолационни материали: (a) камерен поликарбонат, напълнен с гранули аерогел, (b) гранули наногел – аерогел, (c) стъклени влакна, (d) капилярен поликарбонат, (e) клетъчни структури.

При недостатъчна слънчева радиация или през нощта, топлоизолацията може да се подобри с помощта на различни видове подвижни изолации: щори, щори с отразяващо покритие и ролетни щори.

Години наред се развива идеята за динамична изолация. Например, в концепцията, описана в Система за топлоизолация и засенчване, през нощта или в случай на недостатъчна слънчева радиация, пространствата между плочите се запълват под налягане с експандиран полистиренов гранулат. В допълнение към увеличаването на термичното съпротивление на стената, аналогичните решения могат перфектно да предотвратят прегряването на сградата през лятото и загубата на енергия за охлаждане.

Казини (Марко) оценява ефекта от засенчването с помощта на динамични прозорци.

Сбар и др. извършват симулация за електрохромни прозорци в три американски града – Вашингтон, Минесота и Финикс и установяват енергийни спестявания на ниво съответно 10%, 20% и 4%. Тестовете на прототипа на превключваемо изолирано засенчване (ПИЗ) показват разлики в годишното потребление на енергия от ОВК (отопление, вентилация и климатизация), вариращи от 8,2% в студен климат до над 11% в топъл и горещ климат.

Белиа (Лаура) и др. демонстрират спестяване на енергия за охлаждане на ниво от 20% в климата на Палермо, 15% в Рим и 8% в Милано, в резултат на прилагането на засенчващи елементи в офис сгради.

Яо (Джиен) представя проучване за въздействието на динамичните слънчеви щори върху енергията и комфорта и показва, че потреблението на енергия в една сграда може да бъде намалено с 30,87%, като се използват външни подвижни ролетни щори за град Нингбо в Китай.

През лятото, когато е необходимо, остъклената част на котата може да бъде засенчена и от надвисналите елементи на сградата, например стрехи, издатини, балкони или лоджии.

Прякото слънчево акумулиране е пропорционално на площта на прозорците. Въпреки това, ако са твърде големи, те могат да причинят периодични температурни колебания, които да резултират в прегряване на помещението и да компрометират комфорта при използването им. В жилищните сгради стремежът за акумулиране на отоплителна енергия обикновено е най-високо вечер и през нощта, докато улавянето на слънчевите топлина практически достига своя пик през „слънчевите“ часове. Един от начините за подобряване на ефективността на системите за пряко слънчево акумулиране може да бъде увеличаване на топлинния капацитет на граничните елементи на помещения, които не са покрити с облицовка, която възпрепятства усвояването на слънчевата енергия (напр. подови килими) или свързването им с централната отоплителна система. Препоръчва се площта на елементите с термо маса (това е свойство на преградите на зданията, което им позволява да съхраняват топлината и обуславя инерцията на топлинното съхранение, която пречи на поява на температурни колебания) да бъде поне шест пъти по-голяма от тази на стъклопакета. За да се увеличи топлинният капацитет на преградите, се използват материали с фазова промяна (МФП). Съвременните МФП се произвеждат под формата на покрити микрогранули. Благодарение на полимерното покритие, могат да се нанасят без опасност от неконтролирано изтичане или агресивни реакции с материалите, с които се комбинират. МФП могат да бъдат добавка към конвенционалните строителни материали, използвани главно за гранични елементи на сгради.

Въз основа на изследвания, проведени във Финландия и САЩ, Пейпо (Кимо) и др., заявяват, че икономиите на енергия в резултат на използването на МФП в пасивни слънчеви инсталации могат да варират от 10% до 20%, в зависимост от вида на използвания МФП и климата, в който функционира изграденото съоръжение.

Полевите тестове, извършени от Кузник (Фредерик) и др., в климатичните характеристики на околностите на Лион, Франция сочат, че използването на стенни панели, модифицирани с примес на МФП вътре в стаята, може да намали температурните колебания на повърхността на стената с 3,5 °C.

В проучвания върху система за директно слънчево акумулиране с МФП на топлината на фазов преход от 60 kJ/kg, Чен (Чао) и др., демонстрират нарастване на спестяванията на енергия за отопление на тестваното помещение на ниво от 10% в сравнение със стая, в чиято преграда не е използвана добавката МФП.

Компютърни симулации на система за директно слънчево акумулиране, извършена от Атиенитис (Андреас) и др. показва ефективност от повече от 40% при възстановяването на топлинната енергия в стая с под, съдържащ МФП. Важните свойства на МФП също включват отлагането на освобождаването на топлината, съхранявана по време на слънчевата радиация.

Изследване на Кабеза (Луиза) и др. показва, че максималната температура в стена със съдържание на МФП се наблюдава около два часа по-късно, отколкото в немодифицирана стена.

Значителен потенциал в областта на рационалното използване на слънчевата радиация в системите за директно слънчево акумулиране се вижда в модерните прозорци с двоен стъклопакет или подходяща модификация на съществуващи прозорци. Шешка̀ (Йеже) и др. предлагат метод за подобряване на изолационните свойства на прозорците или дори алтернатива на тяхната подмяна, когато сградата е термомодернизирана, използвайки концепцията за квазикутиен прозорец. Идеята е да се монтира нов прозорец от вътрешната страна на сградата до стария (Фигура 3).

Фигура 3. Концепцията на прозореца с квазикутия: (а) Зимни и летни функции: 1 – остъкляване, 2 – добавен вътрешен прозорец, 3 – подвижен засенчващ елемент, 4 – контейнер с МФП, (b) Направено 3 часа след залез слънце термограма на квазикутия прозорец и единичен прозорец при една и съща температура вътре в помещението, (c) Профилна линия на температурата и на двата вида прозорец.

Полученият квазикутиен прозорец има по-висока термична устойчивост от единичен прозорец. В слънчеви дни в така създаденото пространство се натрупва топлина, която в зависимост от топлинния капацитет на уреда може да затопли отново съседната стая, също и за няколко часа след залез слънце (Фигура 3 b, c). Ето защо в Експериментален и числен анализ на енергийната ефективност на прозрачни прегради с термоакумулатор се предлага инсталирането на контейнер с МФП вътре в междината на прозореца. Допълнителните предимства на „кутията“ включват ефективна защита срещу прегряване при използване на вътрешни засенчващи елементи. Благодарение на наклонения външен прозорец при затворен вътрешен, топлината, погълната от навитата щора, се излъчва навън, като се запазва защитата от нагрят външен въздух (Фигура 3 b,c).

В своите тестове на иновативен вентилиран прозорец с двойна обшивка, интегриран с щора за пречистване на въздуха, Уанг (Чуяо) и др. показват, че в сравнение със засенчваща щора, оптимизирането на ъгъла на наклона на жалузите и позицията на щорите, използвани през зимата и лятото, може да подобри топлинния и визуален комфорт и да генерира икономии на енергия на ниво от 23,9 kWh/m² през зимата и 78,8 kWh/m² през лятото.

3. Системи за непряко слънчево акумулиране – стени на Тромб

Начин за решаване на проблеми, свързани с управлението на топлинните печалби, натрупани за кратко време в директни системи, е чрез използване на концепцията за система за индиректни улавяния. Най-често срещаният пример е стената на Тромб. При това решение уловената слънчева енергия се прехвърлят към сградата с помощта на така наречената топлинна маса, като обикновено това е стената зад остъкляването. Поглъщайки слънчевата топлина, стената я съхранява и след това я пренася с известно забавяне в използваемото пространство чрез проводимост (Фигура 4 a). Подобно разположение на топлинната маса е полезна и през лятото, тъй като минимизира риска от прегряване на помещенията. Освен това, поради ефекта на комина, той позволява по-интензивна вентилация на сградата с хладен въздух, засмукан от север (Фигура 4 b).

Фигура 4. Схема на работа на вентилирана стена на Тромб: (а) през зимата, (b) през лятото; 1 – стъкло, 2 – стена, 3 – абсорбиращ слой или абсорбатор, 4 – отвори, 5 – клапи, 6 – отдушник за подаване на въздух.

Името „Стена на Тромб“ произлиза от името на Феликс Тромб, създателят на решението, който, заедно с Жак Мишел, го използва за първи път през 1967 г. в сграда в Одийо, Франция и го патентова през 1973 г.. В много публикации оригиналността на концепцията се приписва на Едуард С. Морз, който през 1881 г. в заявката за патент „Затопляне и вентилация на апартаменти от слънчевите лъчи“ (Фигура 5), запазва типа колектор, в който се абсорбира слънчева топлина върху плоска или гофрирана плоча, се пренася в сграда през вентилационни отвори с циркулиращ въздух. От друга страна, стената на Тромб, в допълнение към способността си да загрява въздуха в пространството зад стъклопакета, има и способност да съхранява топлина, която се освобождава със закъснение в зависимост от топлинната маса на материала на стената (Фигура 6).

Фигура 5. Стенен колектор на Едуард Морз.
Фигура 6. Колекторна стена за съхранение, проектирана от Тромб и Мишел.

Периодът на развитие на идеята за стена на Тромб е свързан с тенденцията за енергийно ефективно строителство, свързана с петролните кризи от 1973 г. и 1979 г. Съавторът на патента Жак Мишел обясни основните допускания на дизайна на стената на Тромб във френско списание, посветено на модерната архитектура, наречено Architecture d’Aujourd’hui през 1973 г. Оттогава стената, като потенциално една от най-евтините пасивни отоплителни системи, е обсъждана в множество изследователски проекти по целия свят и е обект на модификации за подобряване на нейната топлинна ефективност по отношение на климатичните условия и функционалност. Стената на Тромб може да се проектира като стена в нови сгради или като допълнение към системи за топлинна модернизация в съществуващи сгради.

Топлинната ефективност на класическите варианти на стена на Тромб се определя от свойствата на неговите компоненти (стъкло, стена, абсорбиращ слой или абсорбер и други допълнителни взаимодействащи устройства и елементи, например подвижна изолация, засенчване и др.). Структурата на стената на Тромб трябва да бъде оптимизирана, като се вземат предвид:

  • специфичните климатични условия,
  • ориентацията спрямо кардиналните посоки,
  • профилът на ежедневното потребление на енергия,
  • сезонът на годината и
  • функцията на сградата.

Остъкляването има голямо влияние върху формирането на топлинния баланс. Критериите за избор на параметрите му са аналогични на използваните в индиректните системи. Изборът на оптимален стъклопакет е всъщност намирането на компромис при дадени климатични условия между свойствата му да пропуска слънчева радиация и топлоизолацията.

Например Басак Коюнбаба и Зерин Йълмаз, в климатичните условия на Измир, Турция, извършват експерименти за сравняване на стени Тромб, в които са използвани различни видове остъкляване: единично, двойно и интегрирано с фотоволтаичен панел. Резултатите от тестовете показват, че прилагането на двоен стъклопакет намалява загубата на топлина, но води до по-ниско ниво на акумулиране на слънчева енергия, в сравнение с единичните стъклопакети. Следователно, изследователите препоръчват прилагането на единичен стъклопакет, комбиниран с подвижна нощна изолация.

Кисилевич (Томаш), от друга страна, на базата на симулационни изчисления, извършени за климата в Полша, препоръчва остъкляване със стъклопакет с висока топлоизолацияс. Той заключава, че термичното съпротивление на стъклопакета има благоприятно и значително влияние върху нуждата от отопление. Двукамерно и трислойно остъкление би намалило нуждата от отопление на прилежащото пространство между 53% и 58% в сравнение с непрозрачна и добре изолирана стена. За анализираната сграда потреблението на топлина е намлено с 14%. Авторът посочва, че по-нататъшното намаляване на нуждата от отопление, а също и нуждата от охлаждане, изисква обмен на вътрешния въздух между топлинните зони на сградата.

Въпреки че топлинната маса ограничава температурните колебания, причинени от слънчевата работа, стените на Тромб, подобно на системите с пряко слънчево акумулиране, изискват защита срещу прегряване през лятото. В своето изследване на класическа стена на Тромб при умерени климатични условия в Италия, Стаци (Франческа) оценява три варианта на сглобяване:

  • единичен стъклопакет
  • стъклопакет с нискоемисионно покритие (low-e) и
  • двуслоен стъклопакет.

Резултатите показват, че потреблението на енергия може да бъде намалено с до 55%, ако класическата конфигурация за стена на Тромб (дебелина 40 см с единичен стъклопакет) бъде заменена с оптимизирана конфигурация, съставена от двойни стъклопакети и стена от малки газобетонни блокове с дебелина 20 см.

Подобен ефект на двоен стъклопакет върху подобряването на топлинния баланс на стената се посочва в проучването на Донг (Дженкай) и Джан (Лонг).

За да се увеличи топлоизолационният капацитет на стената през зимата и да се предотврати нейното прегряване през лятото, се препоръчва използването на подвижна изолация, както при системите с пряко слънчево акумулиране. Полевите тестове, извършени от Мишик (Пшемислав) показват намаление на средния топлинен поток с приблизително 77% през лятото, докато през зимата се наблюдава консумация на енергия на ниво стена с коефициент на топлопреминаване U = 0,3 W/m²K.

Трябва да се отбележи, че модифицирането на ролетни щори чрез въвеждане на отразяващи покрития може да подобри тяхната благоприятна работа. Покритията ефективно отразяват значителен обем топлина, която излиза през стената. Отварянето на отразяващи щори или капаци под подходящ ъгъл може да засили абсорбцията на слънчевата радиация, отразена от техните повърхности към абсорбатора на стената на Тромб.

При стените без вентилация, стъклопакетът е разположен близо до абсорбатора, за да се сведат до минимум топлинните загуби в резултат на конвекционалния обмен между абсорбатора и стъклопакета. Това разстояние трябва да бъде прието следвайки Торчелини (Пол) в диапазона 2–5 см, докато според Хордески (Майкъл) в диапазона 3–6 см.

Според Зурайкм (Заки), за да се сведат до минимум топлинните загуби през прозрачна преграда, се предлага елиминирането на празнината и поставянето на структура, подобна на пчелна пита, между стъклото и стената.

В невентилирана стена топлината се разпределя чрез проводимост в стената. След като топлинната вълна достигне вътрешната повърхност, топлината се освобождава в съседното пространство в резултат на радиация и естествена конвекция. Това явление може да отнеме няколко десетки часа. Зависи от количеството на абсорбираната радиация, дебелината на стената и нейните физически параметри.

Материалите за изграждането на този тип стени са избрани на база на основния критерий за високата им топлоемкост. Най-често това е бетон, камък и тухла, като дебелината на стената се приема в диапазона от 10 см до 41 см. Колкото по-дебела е стената, толкова по-голяма е нейната топлоакумулираща способност; поради абсорбцията на слънчевата радиация, температурните колебания на вътрешната повърхност намаляват. Тъй като външната повърхност на стената е отговорна за абсорбирането на слънчевата топлина, са направени подобрения в нейната абсорбируемост. Едно от най-простите подобрения е, да се нанесе покритие на базата на черна или тъмна матова боя, което води до попиваемост от 0,95. Проучванията, проведени от Озбалта (Туркан) демонстрират ефекта на цвета на абсорбатора върху ефективната работа на стената на Тромб. Установява се, че годишните енергийни печалби, постигнати от използването на стена, боядисана с най-тъмните бои, са почти три пъти по-високи от тези, получени при използването на светли цветове.

Коефициентът на излъчване на слоевете боя е пропорционален на тяхната абсорбируемост. Метод за ограничаване на свързаните с него топлинни загуби, произтичащи от обмен на радиация към околната среда, е прилагането на селективно покритие. Има по-нисък коефициент на излъчване, като същевременно се поддържа висока абсорбируемост. Изработва се върху стоманен, алуминиев или меден лист, фиксиран към външната повърхност на стената. Например, селективно покритие от черен цинк, направено върху поцинкована стомана, има абсорбируема способност α = 0,96, с коефициент на излъчване ε = 0,12. В статиите на Чекон (Мирослав) е представен иновативен селективен абсорбатор, чиито свойства позволяват контрол на слънчевото акумулиране (Фигура 7 a). Резултатите от проучвания на Джоу (Гуобинг) се посочва благоприятен ефект върху способността на абсорбатора да абсорбира топлина поради използването на надлъжни вихрови генератори (Фигура 7 b) за подобряване на работата на стенните системи МФП-Тромб.

Фигура 7. Абсорбери: (а) Селективен абсорбер: 1 – полиетиленов абсорбиращ слой с 5% пигмент, дебелина (дбл.) 20 µm; 2 – адхезивен полиетиленов мост, дбл. 2 µm; 3 – алуминий с парно покритие, дбл. 0,04 µm; 4 – структурен слой от непрозрачен полиетилентерефталат, дбл. 23 µm, (b) вихрови генератори на делта крилца в повърхността на стената.

В класическата стена на Тромб важна част от разпределението на топлината към сградата е свързана с циркулиращия поток от въздух, загрят от слънчевата топлина, абсорбирана от повърхността на стената. Ефективната циркулация, особено когато има естествена конвекция, се влияе от ширината на въздушната междина между стъклопакета и абсорбатора. Този размер трябва да бъде избран, за да се намали въздушното съпротивление. Според Спароу (Ефрайм) широчината на пространството между стъклопакета и абсорбатора трябва да бъде по-голяма от 4,7 см.

Според Бин прилагането на циркулационни отвори в хладен климат може да подобри ефективността и функционалността на решението. Благодарение на способността за поглъщане на топлината, получена от нагрятия абсорбатор, може да се ограничи възможността за прекомерно повишаване на неговата температура и следователно загубата на топлина чрез остъкляване. Според изчисления, при масивни стени с дебелина над 35 см, ползата от вентилацията при преноса на топлина към съседно пространство се оценява на 70% спрямо топлопроводимостта. Вентилационните отвори обаче трябва да бъдат защитени срещу обратна циркулация. Увеличаване на капацитета с 10% до 20% може да се получи чрез прилагане на затварящи се клапи, амортисьори, специални фолиа и подобни решения. Съгласно други изследвания ефективността на пренос на топлина чрез циркулация е тясно свързана с конструкцията на стената и оптимизирането на времето за отваряне и затваряне на циркулационните вентилационни отвори.

Резултатите от изследването за ефекта от прилагането на вентилирана стена на Тромб в граничните елементи на сградата върху нивото на енергийни спестявания се различават. В своите анализи, извършени с програма ENERGY Plus за климата във Франция (Лион), Боиц (Милорад) определят тези спестявания на 20%. Същото ниво на енергоспестяване се потвърждава, представено в друго изследване, от резултатите от измерванията, направени на действителен обект в Националния парк Зион (Юта, САЩ). От друга страна, в статията на Нозари (Рейчъл) представените резултати от анализите, извършени в TRNSYS (Transient System Simulation) на сграда с площ от 120 m² с 15 m² стена на Тромб в климатичните условия на Кипър показват намаляване на потреблението на топлина на ниво от приблизително 45%. Освен това анализът на разходите за жизнения цикъл показва, че изграждането на този тип стена е по-икономично от закупуването на 3 kW газов котел. Подобни резултати от симулации, извършени при съответните климатични условия, са получени от Калогиру (Сотирис). Стена с южно изложение с дебелина 25 см намалява потреблението на енергия за отопление на сграда с около 47%. Проучването, проведено от Димаси (Нархес) в климата, показва ефективността на вентилирана стена в диапазона 31,7–45%. Фенг (Шондей) показа подобна ефективност от 30,2% на колекторно-акумулираща стена в условията, типични за периода ноември-март в Пекин, Китай. В периода от януари до април, в резултат на оптимизация с TRNSYS на вентилирана стена на Тромб, отнасяща се до повърхността на южната стена, с цел постигане на максимално намаляване на потреблението на енергия, Джабер (Самар) и др. оценява максималните енергийни спестявания на 37,55%. Тази стойност съответства на 37% принос на стената на Тромб в зона от южната стена.

Източник: encyclopedia.pub

Comments are closed.