Окна и фасады как солнечные энергостанции Солнечная энергия для комфорта в помещениях взамен солнцезащиты

Share Микаэль Росса со своим докладом на 38-м Международном конгрессе «Дни окон в Розенхайме»

ИЗБЫТОК ЭНЕРГИИ СОЛНЦА — ПОВСЮДУ Все говорят о «возобновляемой энергии», и это выражение уже стало синонимом «чистой» энергии. Но, буквально, термин «возобновляемый» по отношению к энергии лишен смысла. Энергия преобразуется, но ее нельзя возобновить, нельзя вернуть. Если смотреть на это рационально, что на самом деле энергетической проблемы нет, мы, говоря фигурально, купаемся в энергии. Проблема же в том, что энергия вокруг нас не всегда нам доступна в желаемом и технически пригодном виде или в том, что энергия, получаемая из таких источников, не всегда постоянна во времени. Предыдущее утверждение особенно верно для использования солнечной энергии, попадающей в здание. В течение зимних месяцев поступление солнечной радиации ограничено и часто изменяется в зависимости от погодных условий. Летом, когда мы едва ли нуждаемся в поступлении такого количества солнечной энергии, она имеется в изобилии. К сожалению, солнечная энергия поступает к нам в виде, который мы не можем непосредственно технически использовать. В случае же неправильного подхода к проектированию, это приводит к тому, что мы вынуждены тратить энергию для охлаждения и защиты от Солнца, чтобы создать комфортные условия в помещении.

Использование избытка поступающей солнечной энергии для зданий должно быть, таким образом, тщательно продумано и тщательно спроектировано. Величина параметров Ug и g не существенна. Только используя холистический подход к зданию, включая утилизацию внешней энергии, в том числе и солнечную, включая необходимую солнцезащиту, освещение дневным светом, антибликовые устройства, можно достичь обустройства комфортабельных условий в жилище во всех аспектах.

ВЕЛИЧИНА U И ПОСТУПЛЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Величина U — определяющий параметр для тепловой защиты здания. Весомую часть тепловой энергии нужно уметь хранить. С точки зрения тепловой защиты, идеально сконструированное здание подобно термосу. Он обеспечивает идеальную теплоизоляцию, но также и отсутствие дневного света, визуального контакта с окружающим миром, и делает невозможным утилизацию такого источника, как поступление солнечной энергии в здание. Такое будущее нам не нужно.
Стекло, окна и фасады имеют существенно более низкую величину U, чем ее могут обеспечивать глухие, мощно теплоизолированные стены. Однако можно компенсировать этот дефицит за счет свойств, которые не могут обеспечить глухие стены.
Окна и фасады пропускают дневной свет внутрь помещений, обеспечивают обитателю контакт с окружением и пропускают солнечное излучение внутрь здания, нагревая таким образом дом. Окно обеспечивает дом бесплатной энергией.

Рис. 1. Здание может обеспечить тепловые нужды энергией из внешней среды

Солнечная энергия часто непредсказуема. Рис. 1 иллюстрирует соотношение солнечной энергии и тепловых потерь.
Первая задача при проектировании — нужно оптимизировать величину g и U для остекления. Однобокая оптимизация по параметру U при игнорировании поступления солнечной энергии в здание может приводить даже к увеличению энергопотребления, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Стратегия оптимизации Ug и g

Упрощенный подход подсчета U в виде определения эквивалента Ueq иллюстрирует это, но он непригоден в качестве практического инструмента для расчетов.

Ueq = Ug — S×g , где: g — коэффициент передачи солнечной энергии
S — коэффициент поступления солнечной энергии
Ug — параметр U для остекления

В итоге, достоверные требования могут быть выработаны только с учетом всех факторов влияния, например, как затененность, расчетная пропорция остекления и т.д. Это комплексная задача, которая должна быть выполнена разработчиком.

ПОСТУПЛЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ ПРОТИВ СОЛНЦЕЗАЩИТЫ

Уровень солнечной радиации особенно высок летом. И в это же время наружные температуры настолько велики, что нет нужды в отоплении здания. Результат — некомфортабельная температура внутри помещения. Даже весной и осенью далеко не вся энергия, поступающая от солнца, нужна для утилизации. Ее избыток поглощается или устраняется солнцезащитными устройствами (СЗУ). Они, СЗУ, таким образом, служат для понижения величины g через остекление.

Есть несколько способов реализации этого:

• СЗУ — статические системы с низкой фиксированной величиной проникающей энергии g. Они снижают поступление энергии даже тогда, когда это не нужно. Наружные и возможно регулируемые СЗУ более эффективны, они снижают солнечную радиацию, падающую на элементы здания. Однако у них есть недостаток из-за того, что они подвержены погодным воздействиям, они часто нуждаются в ветровой защите от сильного ветра и шторма.
  Но есть системы, которые могут противостоять высокой ветровой нагрузке. Другой недостаток — необходимость в частой чистке и обслуживании.
• Системы, которые устанавливают в межстекольном пространстве остекления, лишены таких недостатков. Они защищены от разрушения, осадков и влияния внешней среды, но должны обладать высокой надежностью ввиду фактической невозможности их обслуживания и замены частей на весь срок службы остекления. СЗУ, установленные за окном внутри комнаты, наименее эффективны, особенно, когда они устроены в виде сдвижного механизма, то есть в этом случае излучение уже проникает в комнату. Итак, только те системы, которые могут отражать излучение снаружи, обладают приемлемым уровнем характеристик.
• В дополнение к классическим СЗУ, описанным выше, имеется целый ряд инновационных разработок в этой области, таких как электрохромное остекление и саморегулируемые системы с вертикальными экранами, которые также выступают устройствами для перенаправления потока света.

Стандарты DIN 4108 и DIN V 18599 содержат спецификации конструкций для «комфортного климата интерьера» и утилизации поступающей от солнца энергии. Однако требования, указанные для СЗУ, минимальны, и не всегда они на самом деле обеспечивают климатическую комфортность в помещении.
Подводя итоги, отметим, что пассивные системы играют теперь лишь дополнительную роль. В сезон с длительно действующими высокими наружными температурами даже наружные СЗУ не могут гарантированно обеспечить пониженную температуру внутри помещения по сравнению с наружной температурой. Только мероприятия по охлаждению могут помочь системе вентиляции обеспечивать функции поддержания комфорта в помещении.

ИТОГИ

Тепловая защита, поступление солнечной энергии и солнцезащита вместе формируют для проектирования холистическую задачу минимизации потребления энергии в здании и обеспечения устойчивого состояния климатического комфорта для обитателя. В этом процессе здание должно рассматриваться как цельный объект в смысле его функций и энергопотоков. Односторонняя или частичная оптимизация, например, путем одной только теплоизоляции, часто заводит в тупик или становится неприемлемым решением для обитателя.
Наличие окон и фасадов вынуждают использовать СЗУ в любом случае — иногда (если это имеет смысл и необходимость) они должны быть регулируемыми. Только таким путем солнечная энергостанция в виде окон и фасадов может быть использована для устойчивого обеспечения, комфорта и малого энергопотребления.

---

Микаеэль Росса (Michael Rossa), д.ф.н. ift Rosenheim,
по материалам доклада на 38-м Международном конгрессе «Дни окон в Розенхайме», октябрь 2010 г.