Принцип работы теплоаккумулятора

Принцип работы теплоаккумулятора

Наличие контейнера для хранения тепла (аккумулятора солнечной энергии) играет исключительно важную роль в системе, использующей солнечную энергию для отопления. Здание, представляя собой солнечный коллектор, нуждается в средствах аккумулирования тепла для того, чтобы предупредить возможный перегрев помещений при солнечной погоде и сохранить определенное количество тепла для дальнейшего использования в период отсутствия солнца.

Пожалуй, наиболее эффективными аккумулирующими контейнерами являются составляющие здание стены, перекрытия, крыши и перегородки. Как известно, все материалы, поглощая тепло, хранят его по мере нагрева. Если окружающая температура понижается, то накопленное тепло поступает в окружающую среду, а сами материалы охлаждаются.

Для здания это явление имеет особое значение. Тепловая энергия солнечного излучения постоянно в течение дня проникает через стены, крышу и окна здания. Коротковолновое излучение поглощается стенами, перекрытиями и находящимися в помещении предметами после того, как это излучение проникло через стекла. Встречаясь с какой-либо преградой, поступающее излучение превращается в теплоту, большая часть которой поглощается. Если предметы и материалы внутри здания вследствие этого воздействия нагреваются выше окружающей температуры, то они в свою очередь начинают выделять тепло, передавая его более холодным предметам и материалам в здании. Воздух в помещении является одним из материалов, который наиболее быстро нагревается и помогает передавать избыточное солнечное тепло остальным материалам.


Рис. 1. Поступление солнечного тепла через окна:
1 - тепло от солнца, 1000 кДж; 2 - двойное остекление; 3 - потери наружу, 500 кДж; 4 - поступило 800 кДж; 5 - зачерненный бетон или кирпич; 6 - песок, грунт или бетон; 7 - жесткая конструкционная изоляция; 8 - гидроизоляционный слой; 9 - земля.

Однако, если материалы здания уже прогрелись до температуры воздуха или не могут с прежней интенсивностью поглощать тепло, то воздух, продолжая нагреваться, в конечном счете, перегревается, создавая дискомфорт для находящихся в помещении людей. Температура материалов в здании в свою очередь продолжает повышаться, т. е. происходит дальнейшее накопление теплоты. Чем больше теплоаккумулирующая способность предметов и материалов в здании, тем больше потребуется времени для нагрева воздуха до дискомфортного уровня.

После захода солнца в условиях холодной погоды здание может начать быстро терять тепло. Но даже если здание теряет очень мало тепла, то все равно это тепло должно возмещаться для поддержания комфортной температуры. Для зданий, которые не аккумулируют солнечное тепло в течение дня, это возмещение тепла для обогрева должно обеспечиваться другими средствами, например дровяными или иными печами, калориферными обогревателями, за счет выделения тепла освещением, машинами и людьми. Однако если здание содержит достаточное количество способного аккумулировать тепло материала и если солнечные лучи могут проникать внутрь здания и нагревать его в течение дня, то такое здание будет отапливаться солнцем даже после его захода. Нагретые материалы будут терять свое накопленное тепло и передавать его внутреннему воздуху по мере его охлаждения. В зависимости от количества солнечного тепла, поступающего в здание, и накопленного материалами уровня теплопотерь здания, зависящих от ряда таких факторов, как количество изоляции, требуемый уровень температуры в помещении, температура наружного воздуха, в здании могут сохраняться комфортные условия многие часы, а возможно даже и дни без затрат дополнительного тепла от других источников.


Рис. 2. Влияние уменьшения температуры наружного воздуха на изменение температуры воздуха внутри зданий разных типов при отсутствии дополнительных источников тепловой энергии:
1 - воздух внутри массивного здания, заглубленного и частично покрытого грунтом; 2 - воздух внутри массивного здания с наружной изоляцией; 3 - воздух легкого здания с деревянным каркасом; 4 - наружный воздух.

Следует отметить, что для легкого здания, например имеющего деревянный каркас, характерно сравнительно быстрое изменение температуры воздуха внутри помещения, даже если это здание хорошо изолировано. Тяжелое, массивное сооружение, построенное из бетона, кирпича или камня и имеющее хорошую теплоизоляцию, поддерживает свою температуру в течение более длительного периода времени. Для уменьшения тепловых потерь изоляция в таком здании должна быть с внешней стороны, аккумулирующей тепловую энергию массивной стены, т. е. находиться между стеной и наружным воздухом. Массивные материалы, которые могут аккумулировать большое количество тепла, являются плохими изоляторами, и чтобы воспользоваться их теплоаккумулирующей способностью, они должны быть расположены в пределах теплового барьера (изоляции), который отделяет внутреннюю часть здания от внешней среды.

Весьма незначительно изменяется температура внутреннего воздуха в здании, которое обладает не только большой теплоаккумулирующей способностью, но также пристроено к склону холма или покрыто землей. Жесткая плитная теплоизоляция, например, из полистирола или уретана, помещается между бетонными или каменными стенами и слоем земли. Одна или более стен могут быть открыты для внешних воздействий, однако температура опускается очень медленно и устанавливается на уровне, близком к температуре земли.

Летом вступают в силу противоположные условия. Если здание затенено так, что внутрь здания проникает немного солнечной энергии, то поступление тепла будет определяться главным образом теплопередачей через стены, крышу и окна, т. е. будет иметь место процесс, обратный процессу тепловых потерь. Ночью, когда наружный воздух прохладнее, чем днем, поступление этого воздуха в здание либо за счет естественной циркуляции через проемы, например вентиляционные отверстия или окна, либо принудительно при помощи вентиляторов будет охлаждать воздух, а, следовательно, и все материалы и предметы и здании. А так как в начале теплого дня они будут холодными, то до того, как нагреются, они в состоянии поглощать и хранить больше тепла, охлаждая воздух в помещении. Таким образом, если эти предметы охлаждены утром, то потребуется определенное время, прежде чем они нагреются до такой степени, что будет необходимо осуществлять кондиционирование воздуха.


Рис. 3. Влияние повышения температуры наружного воздуха на температуру воздуха внутри зданий разных типов при отсутствии дополнительного источника энергии для охлаждения помещений:
1 - наружный воздух; 2 - воздух внутри легкого здания с деревянным каркасом; 3 - воздух внутри массивного здания с наружной изоляцией; 4 - воздух внутри массивного здания, заглубленного и частично покрытого грунтом.

При резком повышении температуры наружного воздуха легкое здание быстро реагирует на изменение наружной температуры, и, несмотря на хорошую изоляцию, его внутренняя температура сравнительно быстро повышается. С другой стороны, массивные здания за счет более высокой аккумулирующей способности реагируют на повышение температуры в меньшей степени. Здание, пристроенное к земляному откосу или покрытое слоем земли, еще меньше реагирует на температурные изменения наружного воздуха, а при правильном проектировании никогда не будет слишком нагреваться. В случае если какие-либо дополнительные источники тепла, вроде печей и каминов, не используются, температура воздуха в легких зданиях меняется в широких пределах, а в зданиях, изолированных землей, остается почти постоянной.


Рис. 4. Влияние колебаний температуры наружного воздуха на температуру воздуха внутри зданий разных типов при отсутствии дополнительного источника энергии для обогрева или охлаждения помещений:
1 - наружный воздух; 2 - воздух внутри легкого здания с деревянным каркасом; 3 - воздух внутри массивного здания с наружной изоляцией; 4 - воздух внутри массивного здания, заглубленного и частично покрытого грунтом.

Рациональное использование природных климатических условий в сочетании с массивностью здания уменьшает потребность в энергии. В свою очередь, массивность здания способствует выравниванию нагрузки на отопительное и охлаждающее оборудование. Если здание быстро не реагирует на изменения наружной температуры, то не требуется очень большой мощности оборудования для обеспечения теплоснабжения для покрытия такой нагрузки, и оно может работать в более стабильном режиме. Итак, одним крайним случаем является легкое, слабоизолированное здание с деревянным каркасом. В прохладный солнечный день в таком здании печь можно не включать совсем. Однако ночью может потребоваться, чтобы печь работала на полную мощность для поддержания комфортной температуры. Другим крайним случаем является массивное, покрытое землей здание, в котором при переменной температуре наружного воздуха может поддерживаться температура на среднем уровне на протяжении нескольких дней, а может быть в течение 10 дней или даже двух недель. Для такого здания достаточно иметь сравнительно небольшую по мощности отопительную систему, которая будет работать в постоянном режиме, обеспечивая в помещении комфортную температуру.

К сожалению, строительство массивных зданий не соответствует современной теории и практике проектирования. Технология и проектирование сейчас сосредоточены на попытках сделать много, имея немногое, и строительным гением считается тот, кто может использовать наименьшее количество материала в процессе ограждения пространства. Такой образ мышления обычно ограничивается только оценкой применяемых материалов без учета расходуемой энергии или долговечности здания. Визуальное восприятие веса зданий для некоторых людей является важным эстетическим соображением, и сейчас существует тенденция проектировать и строить сооружения, кажущиеся легкими.

Увеличение массы может также увеличить стоимость здания. Авторитет монолитного бетона то растет, то падает у профессиональных строителей. На отношение к этому материалу влияют такие факторы, как его стоимость, наличие, возможности доставки, технология укладки, вес.

Задача увеличения тепловой массы не должна представляться слишком сложной. Одним из решений здесь может быть установка емкостей с водой внутри здания (лучше всего перед освещенным солнцем окном). Однако вряд ли этот способ придется по вкусу многим людям. Песок, гравий, бетон или вода (в пластиковых емкостях) могут использоваться для заполнения пустот в кладке из бетонных блоков. Массивные камины, внутренние бетонные или кирпичные перегородки и даже 50- или 75-мм слой бетона или кирпича на полу могут существенно увеличить тепловую инерцию здания.

Одним из путей увеличения тепловой инерции здания является устройство эффективной теплоизоляции с наружной стороны здания, что требует творческого решения конструктивных проблем. Изоляция обычно помещалась внутри стены (между наружной и внутренней поверхностями) или внутри здания. Наиболее трудной задачей при устройстве изоляции с наружной стороны бетонного или кирпичного здания является защита изоляции от влаги, дождя, солнечного воздействия, контакта с людьми и животными. На рис. 6 показана схема применения изоляции в виде жестких плит из полистирола, покрывающих наружную поверхность монолитной бетонной стены. Большая часть этой изоляции покрыта землей, однако, та часть изоляции, которая покрывает бетон над поверхностью земли, должна быть защищена от возможных повреждений, в том числе и от воздействия солнечной радиации (особенно ультрафиолетовых лучей). Ниже уровня земли изоляция должна быть защищена от влаги, насекомых и грызунов. Полистироловую плиту можно устанавливать в опалубку до заливки в нее бетонной смеси. При этом между двумя материалами достигается очень хорошее сцепление. Однако защита изоляции над уровнем земли требует дополнительных затрат. Один из вариантов такой защиты заключается в нанесении на изоляцию цементирующего материала (типа раствора на основе стекловолокна). Другой способ состоит в креплении жесткого листового материала, например влагостойкой фанеры или асбестоцементных плит.


Рис. 5. Конструкции стен с разным размещением теплоизоляции:
а - теплоизоляция внутри стены (между внутренней и наружной поверхностями);
б - теплоизоляция внутри здания;
в - теплоизоляция снаружи тепловой массы здания; 1 - обычное размещение изоляции; 2 - внутренняя поверхность; 3 - теплоизоляция; 4 - наружная поверхность; 5 - стена (бетон, кирпич, камень).


Рис. 6. Деталь конструкции с почти сплошной наружной защитой теплоизоляции:
1 - внутренняя отделка; 2 - наружный отделочный слой (тонкие доски); 3 - стекловолокнистая теплоизоляция; 4 - пол; 5 - бетонная стена; 6 - жесткая плитная изоляция; 7 - защитное покрытие.