РОЗРАХУНОК ПАСИВНИХ СИСТЕМ СОНЯЧНОГО ОПАЛЕННЯ

І. І.Пуховий, *****@***

Національний технічний університет України „КПІ”, м. Київ

CALCULATION OF PASSIVE SOLAR HEATING SYSTEMS

I. I. Pukhovyi, *****@***

National Technical University of Ukraine 'Kyiv Polytechnic Institute'

The basic calculations and equations necessary for solar passive heating systems estimation and design in Ukraine are described. The results of case study with passive solar heating system with glassed loggia are presented.

Пасивні системи сонячного опалення (ПС) мають найменший термін окупності (3-5 років) серед інших систем з використанням відновлюваної енергії. В Україні цей показник зменшується безперервно у зв’язку з зростанням цін на енергоносії. Низькі капітальні затрати на ПС виділяють їх вигідно по відношенню до використання рідинних сонячних колекторів з батареями опалення чи підлогою з опаленням через низьку температуру теплоносія. Активна система з рідинними колекторами потребує додаткового встановлення капіталоємних теплових насосів. ПС закритого типу (без обміну повітрям з житловою зоною (ЖЗ) в будь-якому випадку забезпечують підвищення температури в повітряному проміжку між стіною і склом - буферній зоні (БЗ), В БЗ (хмарні дні) температура на 7-11 оС вища від температури довкілля і може бути знайдена за отриманою залежністю [ 1 ]

. (1)

Це рівняння дозволяє знайти температуру як в буферних зонах прилеглих до стін будівлі, так і в буферних зонах прилеглих до стелі (на горищі). Величини φ (відношення термічних опорів стіни житлової зони до термічного опору огорожі ПС, включаючи непрозорі елементи) та ω (відношення поверхні огорож буферної зони з ПС до поверхні стіни) завжди більші 1, тому вони впливають на tВ рівнозначно як зниження температури довкілля.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

У випадку наявності сонячного випромінювання температура в буферній зоні підвищується, що викликає додаткове зменшення теплових втрат з житлової зони. Частина енергії акумулюється в стіні чи підлозі та підігріває повітря БЗ і після відсутності опромінення. При розрахунку енергії, що надходить в ПС користуються середніми за місяць величинами максимально отриманої енергії при безхмарному небі Ем [2] та енергетичного коефіцієнта е, знайденого нами в [ 2 ] для умов України. Отримано рівняння для знаходження середньомісячної температури в БЗ. Якщо буферна зона засклена не на всій площі, а є рами, вводиться коефіцієнт прозорості , що є відношенням заскленої поверхні до поверхні буферної зони з ПС. В рівняння (3) для температури входить , яке знаходиться шляхом ділення отриманої за день енергії EPS о [2].

, Вт∙год/м2 день. (2)

на 24 години, щоб врахувати акумульовану в стіні чи підлозі енергію (для закритих ПС без циркуляції повітря між ЖЗ і БЗ).

. (3)

Значення коефіцієнтів орієнтації для різних фасадів КО наведені в [ 2 ]. Для систем типу сонячна оранжерея ω >1, бо з’являються бокові стіни в БЗ.

При розрахунку EPS о потрібно знати к. к.д ПС η протягом світлої частини доби. Рівняння для розрахунку ηps ден для формули (2) отримані в [3] з врахуванням того, що ПС є повітряним сонячним колектором. Взимку можна приймати к. к.д ПС рівним 0,3, а в осінні і весняні дні біля 0,4.

При ω = 1 при (буферна зона без рам,=1), tА = -20 0С, для південного фасаду на півночі України( е ≈ 0,3) величина = 22Вт/м2. У випадку коли коефіцієнт е = 0,4, що є близьким до його мінімального значення отримаємо = 28 Вт/м2 . Для весняних і осінніх місяців =70 – 90 Вт/м2. Вказані значення означають, що в пасивну систему в середньомісячний день в середньому попадає від 20 до 90 Вт теплоти на квадратний метр заскленої ПС. Звичайно, вдень ці цифри взимку приблизно втричі більші.

Пасивна система в січні в найхолоднішій зоні України (Суми) за нашими розрахунками, підвищує в буферній зоні середньодобову місячну температуру на 5,4 0С при наявності сонячного опромінення в порівнянні з випадком без нього.

100 % енергії для опалення можна одержати від ПС лише в квітні, вересні та жовтні. Коефіцієнт зменшення теплових втрат чи енергії на опалення (коефіцієнт ефективності системи ПС) в житловій зоні, опалення якої забезпечується додатковим (дублюючим) високопотенційним джерелом енергії в інші місяці (температури див. вище)

, (4) Отримано розрахунком, що nps для Сум в січні дорівнює 1,22 при φ = 4, ω = 1:

RD = 1м2 , ψ = 0,8 (буферна зона має поверхню із скла та рам), tBPS = 1,5 0С,

tBМІС = - 3,90С (без сонячного випромінювання за формулою (1). .

ПС дозволяє зменшити установлену потужність традиційних джерел теплоти приблизно на 20%, що повинно враховуватися при розрахунку теплових втрат і виборі джерела теплопостачання. Особливу економію можна отримати при опаленні ЖЗ тепловим насосом, який коштує від 300 до 700 доларів США за кіловат теплоти і вимагає, при використанні повітря, як холодного джерела, додаткового резервного джерела енергії, переважно електроенергії.

Проведені експериментальні дослідження ПС типу «засклена лоджія» в типовій двокімнатній квартирі на 9 поверсі 9- поверхового будинку [4]. Заміряні середні температури і їх зміна узгоджуються з розрахунками.. Температура в БЗ зростає по висоті (при температурі довкілля мінус 220С о 7 годині ранку вона складала мінус 12 С біля підлоги і 00С вверху БЗ, що дозволяє у верхній частині БЗ зберігати овочі) і є вищою біля стіни БЗ (на висоті 2,2 м в сонячний день максимальна різниця по ширині в 7-8 0С спостерігалась біля 13 та 4 -7 години, а мінімальна 2-4 0С з 15 до 20 години, коли південна БЗ уже неосвітлена, але огорожі віддають акумульовану теплоту).

Необхідні додаткові дослідження для ПС типу «засклена лоджія», в яких при низькому сонцестоянні частково сонячні промені проходять через вікна в ЖЗ і нагрівають не тільки буферну, але і житлову зону.

1. Пуховой отопления зданий без теплового насоса с использованием природной холодной воды // Промышленная теплотехника.- 1992.- Том 14, №с.57 – 61.

2. Пуховий І. І., Новаківський Є. В. Енергія, отримана від сонячного випромінювання в різних кліматично-географічних зонах України з урахуванням хмарності та її залежність від орієнтації сонячних колекторів // Відновлювальна енергетика. – 2006. - №4. – с. 28 – 36.

3. Пуховий І. І. Дослідження та інженерні розрахунки комбінованої пасивної системи сонячного опалення з використанням теплоти кристалізації води для підігріву повітря в буферній зоні // Наукові вісті НТУУ КПІ. - Серія теплоенергетики.- 1997. - № 1 – с

4. Пуховой режимы и экономия энергии в пассивних системах солнечного отопления типа застекленная лоджия многоэтажных зданий // Экотехнологии и ресурсосбережение№ 2. - с.

5. Пуховой солнечные системы отопления, использующие теплоту кристаллизации воды // Пром. теплотехника. -1998. - № 5.- с.