Расчет параметров прямого солнечного обогрева

Расчет параметров прямого солнечного обогрева

В пассивных солнечных системах прямого обогрева улавливается солнечное излучение, поступающее внутрь здания через остекленные поверхности окон в южной стене. Для наилучшего использования солнечной энергии окна южной ориентации должны иметь определенную площадь. Оптимальная величина удельной площади всех южных окон α_ок, отнесенная к 1 м² жилой площади дома, зависит от средней температуры наружного воздуха в зимний период (точнее, в декабре-январе) T_в и от степени теплоизолированности дома.

Таблица 1. Оптимальная величина удельной площади всех южных окон в системе прямого улавливания солнечной энергии

Температура наружного воздуха зимой Tв, °C	-10	-7	-4	-1	2	5	7
Удельная площадь южных окон αок, м2/м2 в стандартном жилом доме	0,44	0,4	0,35	0,3	0,26	0,2	0,17
Удельная площадь южных окон αок, м2/м2 в доме с улучшенной теплоизоляцией	0,32	0,28	0,25	0,2	0,16	0,14	0,12

В некоторых зданиях предусматривается остекление части крыши или южной стены чердака, сообщающейся с отапливаемыми помещениями.

Пример 1
Рассчитать площадь остекленной поверхности южного фасада дома площадью 100 м², необходимую для обеспечения 50% тепловой нагрузки отопления. Дом оснащен пассивной системой прямого улавливания солнечной энергии, находится в Крыму, а его южный фасад не затеняется.

Для данного местоположения дома при относительной площади остекления, приходящейся на 1 м² жилой площади дома, равной 0,18 м²/м², обеспечивается снижением теплопотребления на 18% (без применения теплоизоляции окон в ночное время) и на 44% (с применением тепловой изоляции), а при α_ок = 0,36 м²/м² — соответственно на 24 и 68%. Построив график линейной зависимости между α_ок и снижением теплопотребления (%), можно найти такое значение α_ок, которое соответствует заданному значению (50%) снижению теплопотребления. Получаем

α_ок = 0,225 м²/м²

в случае использования тепловой изоляции в ночное время. Требуемая площадь остекления равна

A_ок = α_окA_пол = 0,225*100 = 22,5 м²

Количество солнечной энергии, пропущенной через окно внутрь помещения за определенный промежуток времени (час, день), определяется количеством солнечной энергии, поступающей на вертикальную поверхность в данной местности с учетом ориентации и возможного затенения окна, а также его пропускательной способности.

В таблице приложения приведены значения суточных количеств солнечной энергии E, поступающей на горизонтальную поверхность, и E_пр, пропущенной через окно в вертикальной стене различной ориентации в ясный день для 21 числа каждого месяца на широте 40...56° с.ш. При этом величина Eпр отнесена к 1 м² площади окна.

С учетом теплопередачи через окно общее количество солнечной энергии (МДж/дн), пропущенной через окно за день, определяется по формуле

Q_ост = [E_прK_зат ± K(t_в - t_н)]A_ок

где

E_пр - количество пропущенной солнечной энергии, МДж/м² в день;
K_зат - коэффициент затенения окон (табл.2);
K - коэффициент теплопередачи через окна, Вт/(м²K);
t_в - температура внутреннего воздуха;
t_н - температура наружного воздуха;
A_ок - площадь солнцеулавливающего остекления южной стены, м².

Таблица 2. Коэффициент затенения при толщине стекла 3 мм

Вид остекления	Окна без штор	Жалюзи	Светлые шторы	Темные шторы
Одинарное остекление	1	0,55	0,55	0,7
Двойное остекление с воздушным зазором 8 мм	0,87	0,5	0,47	0,57

Расчет количества солнечной энергии, проходящей через окна, за средний облачный день выполняется по формуле

Q_окн^обл = εQ_окн^ясн = εE_пропK_затA_ок

где
ε — коэффициент, учитывающий ослабление плотности потока поступающей солнечной энергии в облачный день по сравнению с ясным днем (для ясного дня ε = 1).

Пример 2
Рассчитать количество солнечной энергии, поступающей через окно с двойным остеклением площадью 8 м² в средний облачный день 21 января в доме, расположенном на широте 48° с.ш.

Через одинарное остекление на южной стороне дома за ясный день 21 января на широте 48° с.ш. проходит 15,91 МДж/м²/день. Коэффициент затенения берем из табл. 2, для двойного остекления без штор

K_зат = 0,87

Для среднего облачного дня принимаем ε = 0,6. Количество солнечной энергии, пропущенной окном с двойным остеклением за средний облачный день, равно

Q_окн^обл = 0,6*15,91*0,87*8 = 66,44 МДж