Солнечное охлаждение

Солнечное охлаждение

На первый взгляд может показаться парадоксальным получение холода из солнечного тепла.

Если здание нуждается летом в кондиционировании при нормальных европейских условиях, то это результат непродуманного решения его конструкций! Даже в жарких странах дома могут быть построены таким образом, что в них без специального оборудования будет сохраняться естественная прохлада. В традиционной архитектуре существует много примеров подобных решений.

Пассивное солнечное охлаждение
Радиационное охлаждение
Испарительное охлаждение
Осушение воздуха


Пассивное солнечное охлаждение

Рис. 1. Дом с шатровой крышей и солнечной трубой.

В летнее время в большинстве районов требуется усиленная естественная вентиляция здания для защиты от перегрева. Рекомендуемый ориентировочный воздухообмен в солнечном доме составляет 0,5 от общего объема здания в час. Хорошая организация воздушных потоков в здании является основой распространения полученного тепла по помещениям за счет естественной конвекции. Это достигается созданием вертикальных воздушных потоков в двусветных пространствах атриумов, холлов, повышенных частях жилых комнат.

Рис. 2. Организация усиленной естественной вентиляции здания: 1 - остекление южного фасада; 2 - массивные перекрытия и полы; 3 - фонарь верхнего света (солнечная труба) с регулируемыми вентиляционными отверстиями.

Использование принципа солнечной трубы, положенного в основу всех этих решений, является причиной обилия в американском жилише двухсветных пространств, верхних окон, фонарей верхнего света. Одним из способов пассивного охлаждения дома является вентиляция прохладным ночным воздухом. Однако этот способ эффективен лишь в тех случаях, когда температура наружного воздуха в ночное время не превышает 18°C. Вентиляция может быть естественной, когда она осуществляется при открывании окон и дверей, или механической, т.е. с применением вентиляторов. Вентиляция ночным прохладным воздухом охлаждает всю тепловую массу дома, т.е. создает запас прохлады на следующий день. Эффективность этого способа возрастает в случае применения галечного аккумулятора, твердые частицы в котором охлаждаются при пропускании прохладного воздуха ночью, а днем охлаждают наружный воздух. Воздух, поступающий в дом, можно пропускать по проложенному в земле каналу, при этом он охлаждается.

Оригинальное архитектурное решение пассивной системы теплохладоснабжения было применено в доме Д.Балкомба (Санта-фе, Нью-Мексико). На рис. 3 показан принцип работы этой системы в режиме охлаждения. Летом наружный воздух движется вследствие естественной тяги, охлаждаясь перед поступлением в дом при прохождении подземного канала и нагреваясь при отводе теплоты от внутренних поверхностей дома. Удаление нагретого воздуха осуществляется из верхней точки дома через трубу с жалюзи с северной стороны. Отопление дома обеспечивается с помощью пристроенной гелиотеплицы и масляных радиаторов. Движение воздуха в доме зимой и летом регулируется с помощью клапанов.



Рис. 3. Схема пассивной системы теплохладоснабжения в доме Балкомба (в режиме охлаждения):
1 - клапаны регулирования; 2 - 21 июня днем; 3 - 21 декабря днем; 4 - стеклянная подвижная дверь; 5 - холодный приточный воздух; 6 - воздух, поступивший в дом; 7 - вытяжной воздух.

Однако, если воздушный кондиционер необходим, то можно использовать энергию солнца, поскольку в жаркие дни, когда нужно охлаждение, энергия солнечного излучения максимально доступна и, таким образом, полностью отпадает забота об аккумулировании энергии.


Радиационное охлаждение
В районах с сухим жарким климатом большое количество теплоты излучается в ночное время практически в открытый космос. Это явление называют эффективным излучением в ночное небо, и поток его тем больше, чем суше воздух, т.е. чем меньше в нем водяных паров. В Иране многие века существует приспособление для получения льда, известное под названием йак-хал, который применяется для изготовления льда с использованием процесса излучения тепла в ночной воздух. Лед можно получать в темных сосудах, когда температура окружающего ночного воздуха составляет около 9°C. Описанный эффект был положен в основу системы солнечного радиационного охлаждения Гарольда Хэя.

Рис. 1. Внешний вид дома.

Предварительное исследование этой системы естественного кондиционирования воздуха показало, что в диапазоне температур окружающего воздуха от отрицательных до 45°C система способна поддерживать температуру в помещении в интервале 20...28°C без дополнительного отопления или охлаждения. По проекту Гарольда Хэя был построен дом Skytherm House, в котором и был применен описанный метод охлаждения.

Skytherm House — одноэтажное здание площадью 115 м2. Солнечный коллектор этого дома расположен горизонтально. На плоской сейсмостойкой крыше размерами 16х11 м из профилированного стального листа уложены 4 черных пластиковых мата, наполненные водой, над которыми скользят по направляющим 12 панелей подвижной изоляции.

Маты имеют следующие размеры:

длина — 11,6 м;
ширина — 2,4 м;
толщина — 0,25 м.

Рис. 2. Пластиковый солнечный коллектор, наполненный водой, на крыше.

Они содержат 26,5 м3 непроточной воды, что эквивалентно примерно теплоемкости слоя бетона толщиной 400 мм, а масса равна массе 100 мм бетонной плиты. Маты закрываются изолирующими панелями, которые надвигаются при помощи алюминиевых зубчатых направляющих.

Рис. 3. Подвижные изолирующие ставни в отодвинутом положении.

Раздвижные ставни изолированы 50 мм слоем пенополиуретана. Двигатель мощностью 180 Вт реагирует на сигнал термостата и, работая всего две минуты утром и вечером, передвигает изоляционные панели по рейкам. Они перемещаются из положения поверх матов с водой на крыше в положение над гаражем или внутренним двориком, складываясь по секциям в три слоя. Их можно передвигать и вручную. В режиме охлаждения, в дневное время изолирующие ставни закрывают маты, защищая их от солнца, а на ночь они откатываются назад, и черные маты излучают тепло в прохладный ночной воздух с тем, чтобы днем охлаждать помещение внизу.

Испарительное охлаждение

Рис. 1. Солнечный дом, оборудованный охлаждающей башней.

Эффективным способом охлаждения здания в условиях жаркого сухого климата является испарительное охлаждение воздуха перед его поступлением в помещение или галечный аккумулятор. В камере испарительного охлаждения (охлаждающей башне) воздух контактирует со смачиваемыми поверхностями или струями воды. Сухой и теплый наружный воздух в результате испарения воды охлаждается, а его относительная влажность повышается. Он используется для охлаждения помещений дома, а при пропускании его через галечный аккумулятор происходит зарядка аккумулятора прохладой, которая в дневное время используется для охлаждения помещений.

Охлаждающей башне не требуются вентиляторы для подачи холодного воздуха. Необходим лишь маленький 12-вольтовый вентилятор для подачи воды к охлаждающим панелям. Существует несколько конструкций охлаждающих башен, но все они, в общем, работают на одном принципе.

Принцип работы охлаждающих башен

Холодный воздух в охлаждающие башни подается под действием сил гравитации без использования вентиляторов, но вентиляторы, тем не менее, могут применяться для уменьшения размеров самой башни. В большинстве конструкций охлаждающих башен используется увлажение панелей, расположенных в верхней части башни. Испаряющаяся с панелей влага, поглощает тепло из воздуха и он, охлаждаясь и становясь тяжелее теплого воздуха, начинает опускаться, подсасывая в башню наружный воздух. Таким образом, создается постоянный нисходящий воздушный поток. Ветра при этом не требуется, но его наличие приведет к увеличению скорости нисходящего воздушного потока в башне.

Обычные охлаждающие башни, в которых не используются вентиляторы, имеют высоту 6...9 м и поперечный размер 2...3 м. Обычные охлаждающие башни с такими размерами потребляют 10...150 Вт электроэнергии (водяной насос). Производительность их составляет 70...224 м3*мин и в значительной степени зависит от высоты башни и расположения входного и выходного вентиляционных проемов.

Конструкция охлаждающей башни

Обычная охлаждающая башня должна составлять в поперечнике не менее 2х2 м при высоте 7,5...9 м и иметь теплоизоляцию с R ≥ 2 (желательно R ≥ 3,3).

Рис. 2. Конструкция охлаждающей башни: 1 - 4 охлаждающих панели; 2 - цистерна с водой и поплавковой системой подачи воды; 3 - 12-вольтовый насос; 4 - трубопровод подачи воды; 5 - вентиляционный проем; 6 - воздух в трубе, нагреваясь под действием солнечного тепла, поднимается, создавая подсос снизу; 7 - солнечная труба.

В районах с очень плохими ветровыми условиями одной охлаждающей башни может оказаться недостаточно и в дополнение к ней понадобится устройство солнечной трубы. Солнечная труба также должна иметь эффективную теплоизоляцию. Нагревать ее можно не только солнечной радиацией, но и любыми другими источниками. Горячий воздух будет просто вытекать из верхней части трубы, подсасывая снизу воздух из помещений дома. Охлаждающие панели обычно монтируются в верхней части башни на ее боковых стенках. Прямо под охлаждающими панелями находится цистерна с водой вместимостью 70...140 л, уровень в которой поддерживается системой подачи воды с поплавковым клапаном. Снаружи цистерны смонтирован маленький 12-вольтовый насос.

Осушение воздуха
Для некоторых регионов в летний сезон характерно сочетание высокой температуры и большой влажности воздуха. Естественно, возникает вопрос о возможности использования простой солнечной системы для снижения влажности воздуха.

Принято считать, что для уменьшения влажности воздуха приемлемы такие способы, как использование силикагеля в качестве твердого адсорбента и применение адсорбирующих водных растворов — например, хлористого лития. В данном случае использование силикагеля аналогично его применению в качестве осушителя в производстве сладостей. Когда через емкость, наполненную силикагелем, пропускают влажный воздух помещения, селикагель поглощает влагу и осушает воздух. Насыщенный влагой селикагель прогревают теплым воздухом или водой с температурой 80...100°C, нагретыми солнечным излучением, при этом воздух поглощает водяные пары (20...30%) и происходит регенерация селикагеля, так что его снова можно использовать в качестве адсорбента.

Можно разделить емкость с адсорбентом на 2 части и через каждые несколько часов поочередно менять режимы адсорбирования и регенерации адсорбента, чтобы в результате получился непрерывный цикл адсорбции и регенерации. По такой же схеме работает водный раствор хлористого лития, обладающего свойством поглощения влаги подобно обычной поваренной соли.

Указанные способы лежат в основе создания систем осушения воздуха открытого типа. При этом обычно используют схему, представленную на рис. 1.


Рис. 1. Диаграмма процесса осушения влажного воздуха:
1 - температура воздуха; 2 - относительная влажность; 3, 4 - охлаждение; 5 - уменьшение влажности; 6 - только осушение воздуха; 7 - осушение воздуха в системе открытого типа; 8 - охлаждение; 9 - наружный воздух.

Летом, когда температура воздуха равна 32°C, а относительная влажность 68%, воздух, пропущенный через емкость с силикагелем, имеет относительную влажность 28%, но температура его при этом поднимается выше 45°C. Это объясняется тем, что, когда водяные пары адсорбируются силикагелем, выделяется скрытая теплота адсорбции: при поглощении 1 кг водяных паров выделяется 800 ккал. Если такой высокотемпературный воздух с малой влажностью охладить при помощи свежего воздуха, воды из охлаждающей башни или просто водопроводной воды, то можно получить сухой воздух с температурой 30...35°C.

Для получения сухого воздуха с более низкой температурой осуществляют, обычно, следующие процессы:

с помощью адсорбента получают воздух с влажностью ниже 15% с одновременным возрастанием его температуры до 55°C;
используя наружный воздух или воду из охлаждающей башни снижают температуру воздуха в помещении до 30...35°C;
охлаждают воздух (например, водой из колодца) до температуры 25°C.