Меню

Здания с солнечным освещением



Использование солнечной энергии в строительстве зданий

В. А. Турулов, канд. техн. наук, инженер-строитель

Совмещать ограждающие конструкции здания с гелиоколлектором с воздушным теплоносителем для использования энергии солнечной радиации энергетически рационально: гелиостены выполняют и функцию теплозащиты, и роль системы теплоснабжения зданий. Это вполне отвечает климатическим условиям России и применимо как в индивидуальных домах, так и для многоэтажных зданий.

Многие считают, что панорамное остекление способствует использованию солнечной энергии для пассивного обогрева и естественного освещения зданий. Это не совсем так даже при применении современных светопрозрачных ограждений с повышенными теплозащитными свойствами. Следует признать, что большие окна в зданиях, строящихся в холодном климате России, требуют весьма значительных эксплуатационных энергетических затрат и дают несколько сомнительный психо-эмоциональный эффект.

Рациональнее сократить площадь окон до минимально допустимого значения и стены совместить с гелиоколлектором. Такая конструкция ограждений может использовать энергию солнечной радиации в многоэтажных зданиях. Здание с таким фасадом будет иметь высокие теплозащитные свойства и энергоэффективные показатели. При этом будет создана имитация сплошного остекления, к чему стремятся многие архитекторы. Кроме того, фасад здания с гелиоколлектором может иметь различную цветовую гамму за счет окраски теплопоглощающей пластины коллектора. Конструктивно имеется возможность также изменять фактуру плоскости фасада. При различном плоскостном расположении светопрозрачного элемента коллектора создается интересный эффект кристаллической поверхности.

Комплексные исследования гелиоактивных стен

В институте по проектированию учреждений здравоохранения ГИПРОНИИЗДРАВ более 10 лет, начиная с 1982 года, проводились комплексные исследования 1 , включающие теоретические и натурные испытания гелиоактивных стен с использованием их в проектной практике [1]. Проведенная работа подтвердила перспективность строительства зданий, особенно многоэтажных, с применением наружных стен, сочетающих два функциональных направления – теплоизоляцию и теплоснабжение – за счет энергии солнца.

При проведении теоретических исследований (Б. В. Хрустовым, канд. техн. наук, отдел НИР ГипроНИИздрав Минздрава СССР) была создана математическая модель нестационарного теплового поведения конструкции, включающая светопрозрачные слои, теплоприемную пластину, воздушный теплосъемный канал, воздушные прослойки и теплоизоляционные слои (рис. 1).

Расчетная схема наружного ограждения

На основе теоретических исследований были организованы многолетние натурные павильонные испытания четырех типов образцов с различными коллекторными пластинами. Испытания проводились в летние и зимний периоды, при этом создавался естественный (пассивный) и принудительный (посредством вентилятора) режимы движения воздуха в теплосъемном канале коллектора. Изучалось влияние скорости и массового расхода воздуха в теплосъемном канале и оценивалась эффективность конструкций гелиоколлектора, сезонное теплоэнергетическое «поведение» гелиоактивных стен.

Было обращено особое внимание на теплозащиту и теплоустойчивость стен с гелиоколлектором в летний период, учитывая, что установка гелиовоздухонагревателей (ГВН) на поверхности наружных стен способствует повышению теплового потока, направленного в помещение. Данные свидетельствуют, что амплитуда колебаний температуры внутренних поверхностей традиционных конструкций и гелиоактивных стен с одинаковой теплоизоляцией практически совпадают. Однако за счет большего поглощения солнечной энергии и меньшего оттока тепла во внешнюю среду из-за установки светопрозрачных покрытий среднесуточные значения температур внутренней поверхности стен несколько выше. Такая особенность теплопередачи улучшает теплозащитные качества стены с коллектором в зимний период и несколько ухудшает летом по сравнению с обычными стенами, что требует дополнительной теплоизоляции.

Рекомендации по проектированию наружных стен с гелиовоздухонагревателям

По материалам теоретических и натурных исследований разработаны рекомендации по проектированию наружных стен зданий с ГВН.

1. Конструктивное решение наружных стен с ГВН характеризуется обязательным применением в их структуре слоев светопрозрачного покрытия, поглощающего элемента, замкнутых воздушных прослоек, теплосъемного канала и теплоизоляции. Наличие неоднородных по условиям теплообмена конструктивных элементов обусловливает дифференцированный подход к рассмотрению процессов теплопередачи в каждом из них.

2. В зависимости от условий внешней среды при эксплуатации гелиовоздухонагревателей могут быть предусмотрены следующие воздушные режимы функционирования теплосъемного канала коллектора:

  • замкнуто-активный, при котором в период облучения солнечной радиацией поглощающей поверхности теплосъемный канал принудительно вентилируется, а в остальное время суток эксплуатируется закрытым (режим устанавливается зимой в ясные дни);
  • замкнутый, при помощи затворов канал трансформируется в замкнутую воздушную прослойку (режим устанавливается в зимний период в пасмурную погоду);
  • открыто-активный, при котором в период облучения солнечной радиацией коллекторной поверхности теплосъемный канал принудительно вентилируется, в другие часы суток для уменьшения теплопритока в помещения предусматривается естественная циркуляция воздуха в канале (режим используется в летний период);
  • открытый, обеспечиваемый естественной вентиляцией теплосьемного канала и используемый при отказе системы принудительной вентиляции (режим предусматривается в летний период для уменьшения теплопоступлений через ограждения в помещения).

3. Функциональное двойное назначение ГВН определяет необходимость:

  • энергетической эффективности гелиовоздухонагревателя и теплозащитных свойств ограждения, значения которых зависят от климатических воздействий, конструктивных характеристик, архитектурно-планировочных решений зданий и режима эксплуатации коллектора;
  • дополнительных требований к гелиоактивным стенам, поскольку в процессе их эксплуатации возможна поломка светопрозрачного покрытия коллектора, что ведет к нарушению гидравлического режима течения воздуха в коллекторе и, как следствие, к снижению тепловой эффективности всей гелиосистемы и ухудшению теплозащитных свойств ограждения. В этом отношении гидравлически более устойчивы конструкции с самостоятельным теплосъемный каналом;
  • учета большого числа факторов, влияющих на теплоэнергетическую эффективность конструкции, основными из которых являются расход воздуха в гелиоколлекторе, форма и селективность поглощающей поверхности, соотношение длины и ширины теплосьемного канала, ориентация ГВН, физические свойства светопрозрачных слоев и их количество, теплотехнические свойства материала теплоизоляции, температура воздуха, подаваемого в гелиоколлектор.

4. Отличительной особенностью ГВН по сравнению с традиционными наружными стенами являются повышенные требования к теплоизоляции, что связано с увеличением теплового потока, направленного в помещение в летний период за счет более высокого уровня температур в ограждении и уменьшения стока тепла во внешнюю среду из-за использования светопрозрачных покрытий.

5. Конструктивные решения ГВН по типам гелиовоздухонагревателей можно разделить на группы с однополостным и многополостным теплосъемными каналами. В группе с однополостным каналом выделяются коллекторы с внешней и внутренней теплопоглощающей поверхностью; группа многополостных коллекторов включает конструкции с объемным и плоским теплопоглощением.

6. В конструкциях с теплосъемным каналом с внешней коллекторной поверхностью исключен контакт нагреваемого воздуха с холодным светопрозрачным покрытием, что повышает их тепловую эффективность. Наиболее прост в изготовлении коллектор с теплосъемным каналом с плоским поглощающим элементом.

7. Некоторое усложнение имеет конструкция коллектора с установкой специальных элементов, что интенсифицирует теплосъем за счет турбулизации воздушного потока в канале.

8. Использование гофрированных поглощающих поверхностей позволяет наиболее эффективно улавливать солнечную энергию и увеличивает площадь контакта нагреваемого воздуха с поглощающей пластиной. Несмотря на сложности в изготовлении и трудности при монтаже, связанные с герметизацией стыков, использование гофрированных поглощающих поверхностей увеличивает КПД гелиовоздухонагревателя по сравнению с другими коллекторами такого типа.

9. Наибольшей тепловой эффективностью обладает группа конструкций многополостных гелиоколлекторов с объемным поглощением, которые наряду с высокой способностью улавливать солнечную энергию, как правило, реализуют объемный теплосъем и значительно активизируют конвективный теплообмен.

10. Форма поглощающей поверхности коллектора в значительной степени влияет на эффективность преобразования солнечной энергии. Так, КПД гелиовоздухонагревателей с поглощающими элементами в виде пластины с турбулизаторами, гофрированной поверхностью и жалюзийной решетки в среднем на 10, 20 и 15 % выше по сравнению с плоским поглощающим элементом.

11. Увеличение отношения коэффициента поглощения коллекторной поверхности к ее степени черноты в 8–10 раз способствует повышению КПД гелиовоздухонагревателя на 10–15 %.

На преобразование солнечной энергии существенно влияет окраска коллекторной поверхности, которая определяет ее коэффициент поглощения. При этом зависимость КПД от поглощающей способности практически прямо пропорциональна.

12. Увеличение отношения длины теплосъемного канала к его ширине позволяет получить теплоноситель более высокого температурного потенциала, однако это сопровождается снижением КПД. Так, при изменении этого отношения от 50 до 200 температура воздуха на выходе увеличивается на 10–20 °C, а КПД уменьшается почти на 10 %.

13. В случае отказа системы принудительной вентиляции с целью защиты помещений от перегрева необходимо обеспечивать возможность беспрепятственной естественной циркуляции воздуха в канале.

14. Светопрозрачное покрытие способствует снижению теплопотерь гелиовоздухонагревателя, одновременно являясь фактором, уменьшающим поступление солнечной радиации на коллекторную поверхность. Многослойные светопрозрачные конструкции эффективны при большой разности температур воздуха на входе гелиоколлектора и наружной среды. При разности этих температур до 40 и расходах воздуха выше 0,02 кг/(м•с) различие КПД одно-, двух- и трехслойного светопрозрачного покрытия не превышает 5 %. При вентиляции теплосъемного канала наружным воздухом целесообразно принимать однослойное остекление коллектора.

15. Высокий уровень температур в ГВН по сравнению с традиционными наружными стенами обусловливает повышенные требования к теплозащитным свойствам ограждения. Установка гелиовоздухонагревателей на поверхности наружных стен способствует повышению теплового потока, направленного в помещение. Такая особенность их теплопередачи улучшает теплозащитные качества ограждения в зимний период и ухудшает летом по сравнению с обычными ограждениями.

16. Перед определением параметров теплоизоляции устанавливаются расчетные режимы вентиляции гелиоколлектора.

17. Обьемно-планировочное решение здания должно формировать развитую площадь облучаемого фасада, что обеспечивает более вытянутая форма. Так, при южной ориентации гелиоактивного фасада поступление солнечной радиации при соотношении ширины к длине 1:1 и 1:5 отличается на 30 %.

Опыт проектирования гелиозданий

На основе рекомендации по проектированию наружных стен зданий с ГВН в Ташкенте было спроектировано и начато строительство Кардиологического центра.

Расчет тепловых процессов с помощью нестационарной теплопередачи в ограждении в режиме принудительной вентиляции теплосъемного канала в холодный период и естественного в теплый период установил, что в климатических условиях Ташкента в течение года теплопроизводительность гелиоколлектора колеблется в широких пределах, достигая максимального значения в октябре – 330 Вт/м 2 и минимального в декабре – 140 Вт/м 2 .

Сумма полезной энергии за сутки по месяцам отличается в 2,3 раза и составляет максимальное значение в июле – 5,7 МДж/м 2 и минимальное в декабре – 2,2 МДж/м 2 . В течение года максимальный КПД достигает 50,9 и средний 39,3 %. Температура воздуха в теплосъемном канале коллектора в зимний период составляет 29–34°C, а в летний 66–68 °C.

Кардиологичемкий центр в г. Ташкенте (архитекторы: Х. А. Мукольянц, А. Л. Быков; инженеры: Г. Ф. Панков, Ю. И. Беленький)

Расчеты показали, что в здании полезное тепло можно использовать для горячего водоснабжения Кардиологического центра с апреля по октябрь.

Исследования подтверждают, что совмещение наружных стен зданий с гелиоколлектором в условиях России является, несомненно, перспективной технологией, особенно на Дальнем Востоке и значительной территории Сибири.

Литература

  1. Турулов В. А. Гелиоактивные стены зданий. М., 2011.
  2. 2. Оболенский Н. В. Архитектура и солнце. М., 1988.

1 Под руководством автора, В. А. Турулова, в то время начальника отдела НИР ГипроНИИздрав Минздрава СССР. – Прим. ред.

Источник

Естественный свет в доме. Стратегии природного освещения

Экологичная усадьба: В наши дни люди возвращаются к идеям близости с природой, к экологически чистым материалам и условиям жизни, и стремятся использовать природное освещение по максимуму.

Освещение дома солнечным светом

Отношение человека к природному освещению в жилище не раз менялось в ходе исторического развития — были времена, когда свет в доме зависел исключительно от природных явлений — солнца и огня. В прошлом веке ситуация была обратная — свое жилище и его интерьер принято было скрывать от солнечного света и от взглядов за плотными портьерами и тюлем в несколько слоев. Но в наши дни люди возвращаются к идеям близости с природой, к экологически чистым материалам и условиям жизни, и стремятся использовать природное освещение по максимуму.

Одна из причин интереса к освещению своего дома солнечным светом понятна — это растущие цены на энергоносители. Поэтому эргономичный проект и дизайн дома активно направлены на снижение потребления электроэнергии. Очень эффективный способ сэкономить — использовать солнечный свет для освещения жилья. Солнечная энергия вносит в жилище не только уют и здоровье жильцам, а еще и позволяет экономить на электричестве немалые средства — от 40 до 75% потребления ежемесячно.

О влиянии солнечного света в доме на здоровье говорят и современные науки — о биоритмах человека, звучащих согласно Солнцу и вращению планеты, а также от качеств естественного света — его мощности, направления, цвета. О целебном воздействии солнечного света в жилище знали и древние архитекторы, строившие здания с определенной ориентацией по сторонам света.

Современный дом должен быть построен согласно требований к освещенности:

  • Два часа тридцать минут каждые сутки — это минимальное время для присутствия прямого солнца в жилых комнатах все три солнечных сезона — весну, лето и осень. Данный минимум времени проект дома должен обеспечить, используя планировку и объемные решения, а также ориентацию здания.
  • Хорошо освещаться все комнаты в доме не могут — это нереально, и обязательно есть помещения, выходящие на север и запад. Но 60% жилых помещений дома должны иметь хорошее солнечное освещение.
  • Площади светопрозрачных оконных заполнений должны составлять не менее 20% от площади пола.
  • Окно располагается на определенной высоте относительно потолка. Верхняя граница оконного проема должна находиться от уровня пола не ниже, чем на 190 см. Высокие комнаты требуют и высоких окон.
  • Максимальное расстояние между оконными проемами = 150 см. Максимальное расстояние от оконного проема до поверхности стены, расположенной напротив окна = 600 см.
  • Все комнаты дома не могут выходить на восточные и южные стороны с хорошей инсоляцией. Поэтому приоритеты устанавливают для помещений с наибольшей посещаемостью. Детская комната, гостиная и рабочий кабинет располагаются в зонах здания, имеющих наибольшую освещенность.
  • В комнатах имеются функциональные зоны — например, это поверхность обеденного или рабочего стола, игровые места для детей. Зонирование помещений также служит световому принципу — наибольшая освещенность нужна рабочим зонам, а места для отдыха могут располагаться и не в самой светлой зоне комнаты.

Тактические задачи для обеспечения освещения жилища солнечным светом

Основные виды и способы организации естественного освещения:

  • Классические оконные проемы обеспечивают проникновение света по всему контуру дома — боковое освещение
  • Освещение сверху — свет попадает в дом через кровельные конструкции и оконные проемы с увеличенной высотой и/или расположенные в верхних уровнях стен
  • Для помещений больших площадей и глубины: обеспечивают двусветным освещением, располагая оконные проемы особым образом — ярусно

Данная тактика имеет приложение только на проектных стадиях, при разработке объемно-планировочного решения дома, когда выбираются конструкции и назначаются линейные размеры и габариты помещений. Если дом уже построен, тактику «пути к Свету» придется усложнить:

  • Если имеется нехватка солнечного света, то оконные проемы возможно увеличивать по площади. Возможно и делать новые проемы, при условии проверки конструкций на несущую способность, поскольку окна придется прорезать в наружных стенах. Если дом каркасный, задача немного упрощается. Возможно, потребуется усиление стен на участках новых оконных проемов.
  • В комнатах активно используют отраженный свет, увеличивая площадь отражающих поверхностей. Зеркала, полировка и глянцевые отделки мебели и стен отражают свет под разными углами и усиливают общую освещенность. Блестящий пол может направить свет из окон на светлый потолок, а от многоярусного потолка рассеивание света по помещению будет еще эффективнее. Отражающие способности отделок стен, пола и потолков нормируются: коэффициент отражения для стеновых поверхностей равен 65-70%; для пола около 40%; для потолков отражение должно быть наилучшим — не менее 80%.
  • Светлые отделки, оттенки и мебель, весь интерьер комнаты решает задачу освещенности — чем больше светлых тонов, тем визуально помещения кажутся светлее. Физический аспект тоже есть — количество отраженного и рассеянного света увеличивается, если окрасить стены в светлые оттенки, причем теплые тона кажутся ярче.
  • Сад и кусты сирени за окнами не всегда возможны. Если света мало, то от закрывающих окна веток приходится избавляться.

Привлекая в дом солнечный свет в целях экономии и максимального уюта, следует помнить о дозировке — солнечные районы и без того обеспечивают в жилье очень много света, с сопутствующим нагревом. Но если комната получилась слишком сильно освещенной, глянцевые поверхности создают дискомфорт, сверкая лучами полуденного солнца в глаза, можно решить проблему просто. Обычные жалюзи или портьеры для временного затенения. Особенно хороши разновидности римских штор, дающие возможность закрывать стекла уровнями, сверху или снизу. Общая освещенность будет сохранена, а острых лучей можно избежать.

Природное освещение по сторонам света и его связь с цветами интерьера

Цветовой и световой дизайн тесно связаны. Цветовая палитра для конкретного интерьера выбирается с учетом ориентации помещения по сторонам света. Причем искусственное освещение тоже является необходимостью — в вечернее время, а иногда и в дождливую и снежную погоду. Гармония и связь двух видов освещения позволит не только создать световой комфорт в жилище, но и экономить ресурс светильников. Современные системы «умного освещения» имеют датчики присутствия и сами регулируют освещенность, включая искусственный свет только при реальной необходимости в нем.

Западная сторона.

Свет приходит во второй половине дня. Вечерний свет имеет более уравновешенную, «завершенную» природу по сравнению с утренним. Оттенки для отделки комнаты с окнами на запад целесообразны в нейтральной палитре. Контраст и тени нужны, но основная линия — спокойная, теплая гамма.

При ориентации окон на северо-запад оттенки выбираются теплее, больше золотистых, желтых и кремовых, немного компенсирующих нехватку солнца. Юго-западное направление предполагает смещение основной гаммы к бирюзовым, зеленоватым и голубым, серебристо-серым и холодноватым пастельным оттенкам.

Восточная сторона.

Утреннее Солнце — самое живое и полезное, самое радостное. Обновление и надежды с первыми солнечными лучами достаются комнатам на восток. Но вечер в данных помещениях может стать весьма мрачным.

Резкость перехода от света к полумраку выравнивают, применяя яркие контрасты теплого и холодного цвета.

Позитивные сочетания дает золотой с сиреневыми, бирюза и чирок с терракотой, коралловыми и мягкими оранжевыми.

Северная сторона.

Холодновато в комнате с окнами на север будет всегда. Свет приглушен, ощущение стабильности, но с оттенком настороженности. Коррекция к позитиву возможна применением горячей гаммы красного — от каштановых и кофейных до оранжевого и желтых. Очень приятны в северных залах яркие насыщенные коричневые цвета.

Немного неожиданно действует белый цвет — он добавляет комнате тепла на уровне подсознательных ощущений, особенно теплые белые — сливочные и кремовые оттенки. Но если все станет «голубым и зеленым» в северной комнате, то такая песня может заставить озябнуть. Светло-голубой и зеленый цвета не для северных помещений.

Южная сторона.

Самые чудесные комнаты, конечно в контексте северных и центральных климатических районов. Южные районы имеют другую специфику, и порой от солнышка там приходится активно защищаться. Но южная комната в центральной полосе России считается лучшей — светлой, теплой и солнечной.

В комнате на Юг нет запретов для цветового оформления, только законы цветовых сочетаний, личные вкусы и авторские предпочтения. Можно все, а коррекцию можно выполнить, установив на окна жалюзи или оформив проем портьерами, фасадными или комнатными маркизами.

Важными факторами светового уюта для вечернего времени будут также правильный выбор и рассчитанная установка светильников, а также выбор лампочек с приемлемой цветовой температурой. опубликовано econet.ru

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Источник

Читайте также:  Неоновая светодиодная лента для наружного освещения

Свет и его значения © 2022
Внимание! Информация, опубликованная на сайте, носит исключительно ознакомительный характер и не является рекомендацией к применению.

Adblock
detector