Тепловая масса (аккумуляция тепла)
Солнечная радиация, падающая на стены, окна, крыши и другие поверхности, поглощается зданием и сохраняется в виде тепловой массы. Затем это тепло излучается внутрь здания. Тепловая масса в солнечной системе теплоснабжения выполняет ту же самую функцию, что и батареи в солнечной фотоэлектрической системе (см. главу по фотоэлектричеству): накопление солнечной энергии для ее дальнейшего использования.
Тепловая масса может быть интегрирована в пассивную солнечную систему различными способами: от покрытого плиткой пола до заполненных водой емкостей. К материалам, которые поглощают и сохраняют тепло, относятся: бетонные плиты для пола, каменные стены и другие тяжелые строительные материалы. Они являются основным элементом в домах, пассивно использующих солнечную энергию. Даже если большая часть окон здания обращена на юг, но при этом нет запаса тепловой массы, то такой дом не будет энергоэффективным. Необходимо знать, что темная поверхность меньше отражает и больше поглощает тепло. Если пол покрыть темной плиткой, то он будет поглощать тепло в течение дня и излучать ночью. Величина теплового потока зависит от температурного различия между источником тепла и объектом, на который он направлен. Как описано выше, тепло перемещается тремя способами: благодаря проводимости (передача тепла твердыми материалами), конвекции (перемещение тепла благодаря движению жидкостей или газов) и излучению. Поверхность дома теряет тепло также благодаря этим трем способам. Хороший дизайн пассивного солнечного здания помогает минимизировать потерю тепла и максимизировать его эффективное распределение. Количество необходимой тепловой массы (материалы, аккумулирующие тепло) в большой степени зависит от климата. Тяжелые здания с большой тепловой массой более комфортны в жарком сухом или холодном климате, но в жарком и влажном климате такие здания малоэффективны. В прохладном климате тепловая масса действует как тепловой резерв на случай холодной погоды, улучшая, таким образом, комфортность и сокращая потребность во вспомогательном обогреве, за исключением пасмурных или очень холодных дней.
Обеспечение адекватной тепловой массы - обычно самая сложная задача для проектировщика в области пассивного солнечного строительства. Потребность в тепловой массе определяется общей площадью окон, обращенных на юг, и месторасположением здания. Для обеспечения эффективного дизайна необходимо следовать таким принципам:
· Располагайте тепловую массу в местах падения солнечных лучей. Тепловая масса, расположенная в местах прямого падения солнечных лучей, более эффективна по сравнению с массой, помещенной в труднодоступное для солнца место. Здания, проект которых рассчитан на косвенное поглощение солнечных лучей, нуждаются в 3-4 раза большем количестве тепловой массы, чем те, которые используют прямое.
· Распределяйте тепловую массу. Дома, использующие пассивный солнечный дизайн, более эффективны, когда тепловая масса относительно тонкая и распределена на большую площадь. Площадь поверхности тепловой массы должна быть, по крайней мере, в 3 раза, а предпочтительнее даже в 6 раз больше, чем суммарная поверхность окон, обращенных к югу. Плиты для пола, толщина которых составляет 8 - 10 см, более эффективны, чем пол толщиной в 40 - 50 см.
· Не покрывайте тепловую массу. Ковры и дорожки препятствуют передаче энергии к пассивным солнечным элементам и от них. Каменные стены могут иметь сухую отделку, но они не должны быть покрыты большими настенными гобеленами или деревянной обшивкой. Сухая отделка должна наноситься непосредственно на стену, а не на покрытия, прикрепленные к стене и создающие нежелательное изолирующее воздушное пространство между отделкой и тепловой массой.
· Изолируйте внутренние поверхности тепловой массы. Есть несколько методов изолирования плит для пола и внешних каменных стен. Такие меры необходимы для сбережения энергии. К сожалению, иногда могут возникнуть проблемы, например, появление термитов в пенопластовой термоизоляции для панелей перекрытия.
· Тепловая масса должна иметь многоцелевое назначение. Для оправдания финансовых затрат тепловая масса должна служить не только как аккумулятор тепла, но и для других целей. Например, каменные стены, способные хранить тепло, хотя и являются одним из элементов пассивного солнечного дизайна, но имеют неоправданно высокую стоимость, если необходимы только как тепловая масса. Покрытый плиткой пол сохраняет тепло, служит в качестве структурного элемента и является красивым элементом оформления. Внутренние каменные стены являются структурным элементом, разделяют комнаты и хранят тепло.
При разработке пассивной солнечной системы в процессе выбора строительных материалов необходимо обратить внимание на их способность удерживать тепло. Эта величина называется объемной теплоемкостью (Дж/м3·оС) или, другими словами, это то количество тепла, которое способен поглотить и хранить материал.
Величина объемной теплоемкости для некоторых часто используемых строительных материалов:
| Материал | Плотность (кг\м3) | Объемная теплоемкость (Дж/м3·оС) |
| Вода | ||
| Бетон | ||
| Кирпич | ||
| Камень: мрамор | ||
| Материалы, не подходящие для хранения тепла | ||
| Гипсокартон | ||
| Древесина | ||
| Матовое стекловолокно |
Раньше проектировщики, работающие в области пассивного солнечного строительства, в качестве теплоносителя использовали воду, хранящуюся в больших контейнерах. Хотя вода и является дешевой, контейнеры и место, которые они занимают, стоят достаточно дорого. Некоторые проектировщики перешли к емкостям, заполненным камнями, используя их как резервуары для тепловой массы. Нужно учитывать, что для сохранения того же количества тепла потребуется камней в три раза больше, чем воды. Однако влажная среда, образующаяся в местах, где устанавливаются емкости с водой, вызывает появление резкого неприятного запаха и является благоприятной средой для размножения грибков и бактерий. Эти проблемы подорвали репутацию такого варианта пассивного солнечного строительства. Хранение тепла с помощью воды и камней требует сложных систем управления, насосов, и вентиляторов. Такой процесс сохранения тепла сегодня почти не используется. Основная причина этого состоит в том, что функционирование таких систем зависит от электроэнергии, эти системы требуют обслуживания, подвергаются периодическим поломкам и, соответственно, требуют ремонта.
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ
В целом строительные материалы можно разделить на две основные группы: объемные материалы и ламинаты с отражающей фольгой. К первой группе относятся изоляционные материалы, использующие тепловое сопротивление воздуха, находящегося между волокнами или в ячейках пенистой структуры материалов (обычно сделанных из пластика типа пенополистирола и пенополиуретана). Вторая группа материалов отражает лучистую энергию от объекта или защищаемой поверхности с помощью пленки. Тепловая изоляция внешних элементов здания - важный компонент энергоэффективности. Управление тепловым потоком, проходящим через внешнюю структуру строения, является ключом для успешного проектирования энергоэффективных зданий. При неправильно выполненной изоляции здания полученная солнечная энергия может быть легко потеряна. Уже было отмечено, что некоторые материалы имеют намного более высокое тепловое сопротивление на единицу объема, чем другие, независимо от их плотности. Тот факт, что воздух сам по себе является хорошим изолятором, особенно если воздушное пространство ограничено блестящей поверхностью фольги, может быть полезен для ограничения проникновения солнечного излучения в здание.
Охлаждение
Во многих странах здания, построенные по принципу пассивного использования солнечной энергии, нуждаются в охлаждении так же, как и в обогреве. Одним из лучших подтвержденных временем методов охлаждения является углубление здания относительно поверхности земли. Эффект, полученный от углубления первого этажа даже на один метр в землю, достаточно велик. Верно выбранный проект здания, дренаж и обеспечение влагостойкости - это те условия, которые необходимо соблюдать при строительстве под землей. Тепловая изоляция - это самый лучший и самый экономичный способ регулирования температуры внутри здания. Тепловая масса земли и хорошая изоляция способны поддерживать в доме разумную температуру воздуха. Внешние и внутренние затеняющие приспособления для окон, вентиляция и отражающие пленки на окнах также являются очень важными элементами при управлении температурой в здании.