Главная Строительство ОгородЖивотноводствоПтицеводство

Аккумулирование тепловой энергии

Влияние увеличения теплоаккумулирующей массы

Влияние теплоаккумулирующей массы на температуру воздуха в теплице и на утилизацию солнечной энергии можно легко выявить путем сравнения двух теплиц. В одной из этих теплиц не имеется теплоаккумулирующей массы, во второй теплице теплоаккумулирующая способность увеличена в результате возведения задней стенки теплицы из кирпича или бетона. В теплице, не имеющий теплоаккумулирующей массы, наблюдается сильное колебание температуры воздуха днем и ночью. При этом максимальная температура обнаруживается примерно в 15 ч, а самая низкая — ранним утром, перед восходом солнца. При размещении теплоаккумулирующей массы в теплице разность между дневной и ночной температурами воздуха значительно уменьшается — ночью температура повышается, а днем снижается. В ночное время теплоаккумулирующая масса отдает тепло, накопленное днем, а днем она служит охладителем, т. е. поглощает тепло. Эту теплоаккумулирующую массу лучше было бы назвать «теплокомпенсатором». В теплице, имеющей такую массу, время достижения максимальной температуры сместилось на 2—3 ч. Более равномерное распределение температуры в теплице в различное время суток существенно улучшает условия для роста растений, а также увеличивает ее эксплуатационные возможности.

Размещение «теплокомпенсатора» в теплице и квартире

Солнечное излучение проникает сквозь прозрачное покрытие теплицы и попадает на стены и пол, а при направленном излучении еще и на потолок. Главным образом от цвета этих поверхностей зависит, какая доля поступающей солнечной энергии поглощается и какая отражается. Темные поверхности хорошо поглощают коротковолновое излучение и мало отражают, светлые действуют противоположным образом, а зеркальные поверхности отражают почти весь падающий на них свет.

Тепловая энергия, образующаяся из поглощаемого солнечного излучения, частично передается теплоаккумулирующей массе, а остающаяся часть переходит от поверхности массы к другим поверхностям и оттуда посредством конвекции — в воздух, повышая одновременно температуру воздуха (табл. 5.1).

Отраженное солнечное излучение преобразуется в тепловую энергию только, в том случае, если оно падает на поверхность какого-либо предмета или строительной конструкции. Если материал, на который поступает отраженное излучение, характеризуется низкой теплоаккумулирующей способностью или низкой теплопроводностью (например, мебель, дощатые стены и т. п.), то он нагревается весьма быстро и тепло переходит в воздух, в результате чего может произойти его перегрев, с которым приходится бороться с помощью вентиляции.

Эффективность использования прямого солнечного излучения можно повысить двумя способами:

  • путем поглощения прямого солнечного излучения и аккумулирования тепловой энергии непосредственно той массой, на которую падают солнечные лучи;
  • путем рассеивания солнечного излучения по всем направлениям, где имеется какая-либо теплоаккумулирующая масса.

Прямое солнечное излучение. При применении первого способа выявляют те участки теплицы и жилой квартиры, на которые падает первичное солнечное излучение в определенные промежутки времени, например между 9 и 15 ч. В качестве вспомогательных средств можно использовать разработанную Гуннаром Плейелем теневую модель, а также инсографики и инсоляторы. На полу и стенах модели отмечают участки, на которые попадает прямое солнечное излучение в различные месяцы. Эти участки целесообразно на этапе проектирования покрывать материалами темного цвета, имеющими хорошую теплоаккумулирующую способность. Такой материал должен, кроме того, обладать способностью воспринимать тепловую энергию с тем, чтобы возможно большая часть тепла, накопившегося на его поверхности, могла перейти в эту массу, а не в воздух.

Рассеянное излучение

Солнечное излучение, попадающее в теплицу или через нее в квартиру, можно рассеивать с помощью покрытия из соответствующего стекла или полиэтилена, а также путем применения шероховатой поверхности белого цвета. От этой поверхности свет отражается во все стороны и попадает на другие массы, которыми он и поглощается. Преимуществом данного решения является то, что все массы нагреваются равномерно и температура на их поверхности не повышается до столь больших значений, как на поверхности стен, материал которых поглощает солнечное излучение непосредственно. Применение рассеивающих полупрозрачных покрытий благоприятно также и для растений, поскольку свет падает на них равномерно и солнечные лучи не вызывают «сгорания» растений. Недостаток применения таких покрытий заключается в том, что они не совсем прозрачны для света — окружающее пространство видно сквозь них, как в тумане.

Размещение теплоаккумулирующих масс

Размеры участков в теплице, на которых можно разместить какую-либо теплоаккумулирующую массу, весьма ограниченны. Большая часть стен, а зачастую и крыши теплицы оснащены прозрачным для света покрытием, основная же часть поверхности пола отведена для выращивания растений. Поэтому для других целей остается лишь небольшая часть поверхности пола и часть задней стены, в которой обычно оборудованы также окна и дверь. Эти участки необходимо как можно более эффективно использовать для накопления и создания запасов тепловой энергии. Для решения этой задачи нужно, чтобы на теплоаккумулирующие массы, размещенные на указанных участках, падало прямое солнечное излучение в течение большей части светового дня. Таким образом, эти массы будут выполнять функции накопителей солнечной энергии и теплоаккумуляторов. Размещенную таким образом массу называют первичной массой. В зависимости от свойств первичной массы передача теплоты от нее происходит примерно на расстояние до 200 мм. От вторичной массы, которая не подвергается непосредственному воздействию солнечных лучей или главным образом остается в тени, передача тепла осуществляется на расстояние 80—100 мм. Поэтому для вторичной массы требуется площадь поверхности в 2—3 раза большая, чем для первичной.

При размещении теплоаккумулирующих масс и выборе материалов нужно ответить на следующие вопросы:

  • что требуется обеспечить теплом в первую очередь — квартиру или помещение теплицы?
  • каким образом можно с максимальной эффективностью использовать в качестве теплоаккумуляторов строительные материалы, применяемые при возведении дома?
  • сколько места можно предоставить для размещения теплоаккумулирующей массы и каким образом это размещение повлияет на использование площади теплицы?
  • каким образом при проектировании конструкции разделительной стены, в которой предусмотрены раздвижные теплоизолирующие покрытия с обеих сторон, обеспечить их максимальную эффективность?
  • как оценить эффективность различных решений и каковы расхо ды по их реализации?
  • каким образом осуществляется данное конструктивное решение на практике и долго ли будет служить эта конструкция?
  • как принятое конструктивное решение влияет на внешний вид теплицы и квартиры?

Теплоаккумулирующие свойства различных материалов

Теплоаккумулирующая способность. Теплоаккумулирующая способность строительных материалов зависит от их теплоемкости и разности температур. В качестве общего правила можно указать, что чем больше плотность данного вещества, тем больше его теплоаккумулирующая способность. Тяжелые вещества, как правило, отличаются также и хорошей теплопроводностью (табл. 5.2).

В небольших теплицах, где площадь размещения теплоаккумулирующих масс ограничена, целесообразно использовать вещества, обладающие способностью к фазовым превращениям. На рынках сбыта имеется такая продукция в упакованном виде — пакеты толщиной в несколько сантиметров, которые можно вмонтировать в стену, а в пределах квартиры — также и в пол. Преимуществом таких материалов является их небольшой объем, обусловленный высокой теплоаккумулируюшей способностью (например, в 6 раз большей, чем у камня). Недостатком их является высокая стоимость, которая в настоящее время составляет около 200 финских марок за 1 м². Более экономичное решение заключается в использовании в качестве теплоаккумуляторов таких материалов, которые одновременно служат строительным материалом конструкций пола или стены. Бесплатным теплоаккумулирующим материалом является только вода. При ее использовании определенные затраты идут лишь на установку емкостей и оборудование бассейна.

Влияние поверхности теплоаккумупирующей массы

Цвет используемой первичной теплоаккумулируюшей массы оказывает решающее влияние на долю солнечной лучистой энергии, поглощаемой материалом. Для вторичной теплоаккумулируюшей массы одним из важнейших факторов является структура поверхностного слоя, поскольку значительное количество образующегося тепла переходит в него через воздух (путем конвекции). При этом остается справедливым правило: чем более грубо обработана поверхность, тем больше в нее перейдет тепловой энергии. Длинноволновое тепловое излучение хорошо поглощается почти всеми строительными материалами (табл. 5.3).

Толщина элемента из теплоаккумулирующей массы

При использовании в ночное время накопленной за день солнечной тепловой энергии глубина проникания теплоты в массу, например за 8 световых часов, определяется ее толщиной. В зависимости от вида первичного теплоаккумулирующего материала толщина его в строительной конструкции может меняться от 150 до 250 мм. Такие конструктивные элементы, как пол и стены, могут быть и большей толщины, если строительные конструкции обладают хорошей теплопроводностью. Тем самым обеспечивается достижение лучшей теплоаккумулирующей способности.

Теплоаккумуляторы из различных материалов

Традиционные строительные материалы. Теплоаккумулирующая способность бетона и кирпича не очень высока, однако эти материалы все же могут служить в качестве первичной массы, т. е., в общих чертах, работать так же, как естественные камни. Особенно это относится к бетону, обладающему достаточной теплопроводностью и неплохими теплоаккумулирующими свойствами.

Бетон широко используется в конструкциях пола и стен

Бетонные стены могут быть изготовлены серийно на заводе в виде блоков или монолитными на месте строительства. Оптимальная толщина бетонной стены составляет 200—250 мм для первичной теплоакку-мулирующей массы и около 100 мм — для вторичной массы. Для кирпичной стены соответствующие толщины составляют 130—150 и 80 мм. На практике это означает, что кладка кирпичных стен производится на половину толщины кирпича или пол сооружается из бетонных плит толщиной 120 мм, которые затем покрывают кирпичом на плашку.

Водяные теплоаккумуляторьи

В качестве таких теплоаккумуляторов можно использовать различные емкости, применявшиеся ранее для других целей — сосуды из-под керосина и красок, различные бочки, а также покупные недорогие пластмассовые или металлические емкости. Поверхность таких сосудов должна быть темной, чтобы обеспечивалось хорошее поглощение солнечных лучей. Закрашивая такие емкости темно-серой, черной и темно-красной коррозионно-стойкой краской (например, красками «текнос-маалит» фирмы «Кирьё»), можно добиться их привлекательного внешнего вида, что немаловажно, поскольку теплица является частью бытовых комнат.

При размещении сосудов с водой в теплице важно помнить о том, чтобы максимально возможная часть их поверхности была в пределах досягаемости солнечных лучей. Если используются большие емкости, то нужно сделать так, чтобы воздух мог огибать их со всех сторон, поскольку накопленная тепловая энергия должна потом обратно перейти в теплицу.

Бассейны с водой хорошо функционируют как накопители солнечной энергии. Падающее на них солнечное излучение поглощается почти полностью, если внутренние поверхности бассейна имеют черный цвет. Однако при этом возникают проблемы, связанные с испарением воды, поскольку этот процесс сопровождается потерями большого количества энергии (происходит охлаждение воды). При испарении 1 л воды расходуется такое количество тепловой энергии, которого достаточно для нагрева 100 л воды на 6 °С. Это количество тепла, в свою очередь, освобождается при конденсации влажного воздуха на холодных поверхностях. Появление влаги неблагоприятно для помещений и обусловливает необходимость вентиляции, что связано с потерями тепловой энергии. Поэтому рекомендуется оборудовать такой бассейн прозрачным полиэтиленовым покрытием для уменьшения теплопотерь и предотвращения испарения воды.

Наиболее целесообразный способ аккумулирования тепловой энергии в воде заключается в использовании заполненных водой бочек, покрытых прозрачными крышками или полиэтиленовой пленкой для предотвращения испарения воды. Недостаток такого решения заключается в том, что наиболее теплая область располагается вверху, а наиболее холодная — на дне бочки, вследствие чего теплоаккумулирующая способность воды будет использована относительно плохо. Для утилизации тепла, исходящего от бочек, на них размещают различные растения, при этом должна быть обеспечена свободная циркуляция воздуха и тепла в окружающем пространстве.

При использовании в качестве теплоаккумуляторов емкостей меньших размеров практически полностью предотвращается температурное расслоение воды. К тому же емкости меньших размеров можно разместить в теплице более компактно и тем самым сэкономить полезную площадь для отдыха и выращивания растений.

Основная особенность водяных теплоаккумуляторов заключается в том, что в больших теплоаккумулирующих емкостях тепло сохраняется дольше, однако оно медленнее передается различным слоям массы воды. Небольшие емкости благодаря большой теплопередающей поверхности быстро реагируют на изменение условий, что полезно, например, в случае перегрева. Зато они быстро отдают накопленное тепло, что весьма нежелательно в холодные ночи.

Чернозем в качестве теплоаккумулятора

Использование чернозема для аккумулирования тепла представляет собой наиболее дешевый и простой способ обогрева теплицы. К сожалению, этот способ малоэффективен, так как аккумулирование тепла землей без использования каких-либо устройств дает худшие результаты, чем это можно ожидать исходя из теплоаккумулирующей способности грунта (см. табл. 5.2). Причиной этого является наличие в помещении теплицы растений, которые покрывают наибольшую часть площади, предназначенной для их выращивания.

Каменные теплоаккумуляторы

Эти теплоаккумуляторы также оказались относительно малоэффективными. Каменный теплоаккумулятор можно разместить непосредственно в теплице, расположив природные камни, например, у задней стены или под теплицей. При укладке камней перед задней стеной необходимо следить за тем, чтобы толщина их слоя была небольшой и солнечные лучи достигали поверхности всех камней. Камни можно разместить по всей поверхности стены с помощью сетки или же замуровать их в стену, что придаёт ей весьма красивый внешний вид, однако все это требует больших трудозатрат.

Если использовать несколько рядов камней, то необходимо применение вентилятора. Промытые камни в этом случае следует уложить так, чтобы оставить промежутки между ними для прохода воздуха, точно так же, как и при размещении каменного теплоаккумулятора под полом теплицы. Если такой теплоаккумулятор предназначен для кратковременного использования, то размер камней должен быть небольшим. По опыту эксплуатации такого теплоаккумулятора можно сказать, что наилучший результат в этом случае обеспечивают камни округлой формы диаметром 30—50 мм. Передача тепла камням все же не очень эффективна. Опыт, полученный в Финляндии и Швеции, показал, что только одна треть или половина камней (из всего числа взятых) участвуют в аккумулировании тепла. По сравнению с бетонными плитами, имеющими конструктивные полости и обеспечивающими участие 80—90% массы плит в аккумулировании тепла, каменный теплоаккумулятор относительно менее эффективен.

Конструкции с полостями

Для эффективной передачи теплоты в кирпичную или блочно-бетонную стену с конструктивными полостями нужно использовать вентилятор. В пустотелых бетонных плитах, например на длине 6 м, массе бетона может передаваться в зависимости от скорости подачи теплого воздуха примерно половина теплоты. Бетон почти целиком участвует в процессе аккумулирования теплоты благодаря относительно небольшой толщине плиты и густой сети пустот.

Из пустотелых плит можно сооружать стену между теплицей и квартирой или пол теплицы непосредственно на теплоизолирующей поверхности, а также в квартире, где используются, например, плиты, уже имеющие теплоизоляцию с нижней стороны. Кроме того, промежуточное и верхнее основания пола в каменных зданиях также можно выполнить из пустотелых бетонных плит.

Одно из таких конструктивных решений реализовано в университете Шеффилда (Англия) для экспериментального дома SHED (Soiar Heated Experimental Dwelling). В этом доме, отапливаемом с помощью солнечной энергии, имеется теплица, занимающая всю южную стену одноэтажного дома. Как только температура воздуха в теплице поднимается выше, чем это требуется для роста растений, воздух оттуда с помощью вентиляторов передается в теплоаккумуляторы. Мощность вентиляторов, оборудованных тиристорными регуляторами, составляет 2 × 30 Вт. В качестве теплоаккумуляторов используются бутыли, кирпичи и небольшие камни. От них тепло переходит в жилые комнаты путем излучения и естественной конвекции. На основании испытаний были получены следующие результаты:

  • система функционирует наиболее эффективно, если она оборудована вентиляторами и теплоаккумуляторами;
  • в системе, оборудованной вентиляторами я теплоаккумуляторами, экономия энергии составила 78%, а в аналогичном решении без перечисленного оборудования она была равна 49% (эти цифры даны в сравнении с обычным жилым домом);
  • дополнительные расходы на строительство теплицы, приобретение и монтаж вентиляторов и оборудование теплоаккумуляторов окупаются полностью за девять лет эксплуатации дома;
  • единственным недостатком данного способа является небольшой уровень шума, создаваемого работой вентиляторов.

Определение расхода тепла и выбор размеров теплоаккумулятора

«Правило большого пальца». При проектировании мест размещения теплоаккумулирующих масс и при оценке потребности создания запасов теплоты можно пользоваться методикой, предусматривающей применение «правила большого пальца». По существу своему эта методика довольно груба, однако она удобна и не позволяет совершать большие ошибки. Окончательную проверку проекта можно осуществлять после этого с помощью модели «atk» (автоматической обработки информации) или путем использования опыта, полученного ранее, например в отношении выбора размеров и способа теплопередачи в теплоаккумуляторе.

Вопросы аккумулирования солнечного излучения в соответствии с «правилом большого пальца» были рассмотрены ранее. Размеры требуемой теплоаккумулирующей массы можно определить путем вычисления ее удельной теплоемкости для данной теплицы. Это покажет, сколько литров воды или другой теплоаккумулирующей массы (в пересчете на воду) приходится на 1 м² площади поверхности прозрачного покрытия. Считается, что световые лучи беспрепятственно проникают в теплицу.

Сравнение различных решений позволило выявить зависимости, на основании которых установлено, что для условий Финляндии оптимальны следующие объемы первичной аккумулирующей массы в расчете на 1 м² прозрачного Покрытия: 0,1—0,2 м воды, 0,3—0,5 м³ кирпичей и 0,6—1,2 м³ камней.

Количество теплоаккумулирующей массы ничего не говорит о форме самого теплоаккумулятора, а также о размерах единичного аккумулятора. Совсем не одно и то же, например, разместят ли 1000 л воды в пяти бочках объемом по 200 л каждая или в 2 тыс. банок объемом по 0,5 л каждая. Использование одного и того же объема воды привело бы к совершенно различным результатам!

Определение расхода теплоты по модели «atk»

Если известны характеристики здания и местные климатические условия, например температура, солнечное излучение, затененность и т. д., то можно начинать замеры в соответствии с планом строительства. При необходимости получить точные сведения о тепловом режиме теплицы и квартиры эксперименты нужно проводить с небольшими интервалами времени (как правило,1 ч). Через каждый час в течение всего года следует определять углы падения и интенсивность солнечных лучей, наружную температуру, поверхность, на которую падает солнечное излучение, количество вырабатываемой теплоты, направления передачи этой теплоты, температуру, полученную в разных местах, и т. д. Совершенно ясно, что этот процесс будет настолько трудоемким, что помощь модели «atk» становится просто необходимой.

В различных странах разработаны различные программы для модели atk, например программа BRIS или изложенная ниже расчетная программа SPIEL, которая весьма удобна из-за своей наглядности. Ниже будет показано также применение программы SPIEL для исследования экспериментального дома SHED.

Сеточный метод

Этот метод представляет собой весьма эффективный и простой способ выполнения необходимых расчетов по циркуляции теплоты. Он основан на том, что равновесие температур соответствует равновесному состоянию тока в электрической цепи. Внешние погодные условия (главным образом количество солнечной энергии и температура) изменяются непрерывно.

С помощью специальных электронных устройств получают изображения стен, потолка и теплоаккумулирующей массы, а также так называемые сеточные точки, представляющие собой места измерения температуры. Когда мы имеем данные о характеристиках здания, а также, в какой-то мере, информацию о погодных условиях, то можно приступить к эксперименту. Существует два способа проведения измерений: можно построить электронную модель — цепь, на которой потом проводят эксперимент, либо задать программу в цифровой форме для малогабаритной ЭВМ или многофункционального вычислительного устройства и произвести вычисления. В обоих случаях результаты получают в виде температур, измеренных через каждый час в контрольных точках. Если они не будут удовлетворительными, то экспериментаторам придется изменить проект, прибавляя или отнимая соответствующие величины. Принципы этого метода используются в программе SPIEL, которая допускает использование малогабаритной ЭВМ или многофункционального вычислительного устройства.



Добавить комментарий

Ваше имя


Читайте также:

Аккумулирование тепловой энергии и создание ее запасов

Форма теплицы

Затененность теплицы

Количество солнечной энергии, поступающей в теплицу

Накапливание солнечной энергии и затененность теплицы

Пространство теплицы как часть индивидуального жилища

Климатические факторы

Устройство теплицы в условиях Севера

Проектирование и строительство теплицы

Теплица как одна из бытовых комнат жилого дома