Солнечная энергия

Солнечное теплоприток (также известное как солнечное теплоприток или пассивное солнечное теплоприток ) — это увеличение тепловой энергии пространства, объекта или конструкции по мере поглощения падающего солнечного излучения . Количество солнечного притока, которое получает пространство, является функцией общего падающего солнечного излучения и способности любого промежуточного материала пропускать или противостоять излучению.

Объекты, на которые попадает солнечный свет, поглощают его видимые и коротковолновые инфракрасные компоненты, повышают температуру, а затем повторно излучают это тепло на более длинных инфракрасных длинах волн . Хотя прозрачные строительные материалы, такие как стекло, позволяют видимому свету проходить почти беспрепятственно, как только этот свет преобразуется в длинноволновое инфракрасное излучение материалами в помещении, он не может выйти обратно через окно, поскольку стекло непрозрачно для этих более длинных волн. Таким образом, захваченное тепло вызывает солнечное усиление через явление, известное как парниковый эффект . В зданиях чрезмерное солнечное усиление может привести к перегреву внутри помещения, но его также можно использовать в качестве пассивной стратегии отопления, когда требуется тепло. ^[1]

Свойства солнечного излучения окна

Чаще всего при проектировании и выборе окон и дверей учитывается солнечное тепло. По этой причине наиболее распространенные показатели для количественной оценки солнечного тепла используются в качестве стандартного способа отчетности о тепловых свойствах оконных конструкций. В Соединенных Штатах Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха ( ASHRAE ) ^[2] и Национальный совет по оценке окон (NFRC) ^[3] поддерживают стандарты для расчета и измерения этих значений.

Коэффициент затенения

Коэффициент затенения (SC) является мерой тепловых характеристик излучения стеклянного блока (панели или окна) в здании . Он определяется как отношение солнечного излучения при заданной длине волны и угле падения, проходящего через стеклянный блок, к излучению, которое прошло бы через эталонное окно из безрамного 3-миллиметрового (0,12 дюйма) прозрачного флоат-стекла. ^[3] Поскольку сравниваемые величины являются функциями как длины волны, так и угла падения, коэффициент затенения для оконной конструкции обычно сообщается для одной длины волны, типичной для солнечного излучения, входящего нормально к плоскости стекла. Эта величина включает как энергию, которая передается непосредственно через стекло, так и энергию, которая поглощается стеклом и рамой и повторно излучается в пространство, и определяется следующим уравнением: ^[4]

$F(\lambda ,\theta )=T(\lambda ,\theta )+N*A(\lambda ,\theta )$

Здесь λ — длина волны излучения, θ — угол падения. «T» — пропускаемость стекла, «A» — его поглощательная способность, а «N» — доля поглощенной энергии, которая переизлучается в пространство. Таким образом, общий коэффициент затенения определяется соотношением:

$SC=F(\lambda ,\theta )_{1}/F(\lambda ,\theta )_{o}$

Коэффициент затенения зависит от свойств излучения оконной конструкции. Этими свойствами являются пропускаемость «T», поглощательная способность «A», излучательная способность (которая равна поглощательной способности для любой заданной длины волны) и отражательная способность , все из которых являются безразмерными величинами, которые вместе дают в сумме 1. ^[4] Такие факторы, как цвет , оттенок и отражающие покрытия, влияют на эти свойства, что и побудило разработать коэффициент затенения как поправочный коэффициент для учета этого. Таблица коэффициентов поступления солнечного тепла ASHRAE ^[2] дает ожидаемое поступление солнечного тепла для прозрачного флоат-стекла толщиной ⅛” на разных широтах, ориентациях и во времени, которое можно умножить на коэффициент затенения, чтобы скорректировать различия в свойствах излучения. Значение коэффициента затенения колеблется от 0 до 1. Чем ниже рейтинг, тем меньше солнечного тепла передается через стекло и тем выше его затеняющая способность.

В дополнение к свойствам стекла, в расчет SC также включаются затеняющие устройства, интегрированные в оконную сборку. Такие устройства могут уменьшить коэффициент затенения, блокируя части остекления непрозрачным или полупрозрачным материалом, тем самым снижая общую пропускаемость. ^[5]

Методы проектирования окон отошли от коэффициента затенения и перешли к коэффициенту солнечного теплопритока (SHGC), который определяется как доля падающего солнечного излучения, которая фактически попадает в здание через всю оконную конструкцию в качестве теплопритока (а не только через стеклянную часть). Стандартный метод расчета SHGC также использует более реалистичный метод длины волны за длиной волны, а не просто предоставляет коэффициент для одной длины волны, как это делает коэффициент затенения. ^[4] Хотя коэффициент затенения все еще упоминается в документации производителя и в некотором отраслевом программном обеспечении, ^[6] он больше не упоминается как опция в отраслевых текстах ^[2] или модельных строительных нормах. ^[7] Помимо присущих ему неточностей, еще одним недостатком SC является его нелогичное название, которое предполагает, что высокие значения равны высокому затенению, когда на самом деле верно обратное. Технические эксперты отрасли осознали ограничения SC и продвигали SHGC в Соединенных Штатах (и аналогичное значение g в Европе) до начала 1990-х годов. ^[8]

Перевод из SC в SHGC не обязательно прост, так как каждый из них учитывает различные механизмы и пути теплопередачи (сборка окна или только стекло). Чтобы выполнить приблизительный перевод из SC в SHGC, умножьте значение SC на 0,87. ^[3]

g-значение

Значение g (иногда также называемое солнечным фактором или полным коэффициентом пропускания солнечной энергии) — это коэффициент, который обычно используется в Европе для измерения пропускания солнечной энергии окнами. Несмотря на незначительные различия в стандартах моделирования по сравнению с SHGC, эти два значения фактически одинаковы. Значение g 1,0 представляет собой полное пропускание всего солнечного излучения, тогда как 0,0 представляет собой окно без пропускания солнечной энергии. Однако на практике большинство значений g будут находиться в диапазоне от 0,2 до 0,7, при этом солнцезащитное остекление имеет значение g менее 0,5. ^[9]

Коэффициент солнечного теплопоступления (SHGC)

SHGC является преемником коэффициента затенения, используемого в Соединенных Штатах, и представляет собой отношение прошедшего солнечного излучения к падающему солнечному излучению всей оконной конструкции. Он варьируется от 0 до 1 и относится к пропусканию солнечной энергии окна или двери в целом, с учетом стекла, материала рамы, створки (если есть), разделенных световых полос (если есть) и экранов (если есть). ^[3] Пропускание каждого компонента рассчитывается аналогично коэффициенту затенения. Однако, в отличие от коэффициента затенения, общее солнечное тепловое излучение рассчитывается на основе длины волны за длиной волны, где непосредственно прошедшая часть коэффициента солнечного тепловое излучение определяется по формуле: ^[4]

$T=\int \limits _{350\ нм}^{3500\ нм}T(\лямбда )E(\лямбда )d\лямбда$

Здесь — спектральный коэффициент пропускания на заданной длине волны в нанометрах, а — падающая солнечная спектральная освещенность. При интегрировании по длинам волн солнечного коротковолнового излучения получается общая доля переданной солнечной энергии по всем длинам волн солнца. Таким образом, произведение представляет собой долю поглощенной и переизлученной энергии по всем компонентам сборки за пределами только стекла. Важно отметить, что стандартный SHGC рассчитывается только для угла падения, нормального к окну. Однако это дает хорошую оценку в широком диапазоне углов, до 30 градусов от нормали в большинстве случаев. ^[3] $T(\лямбда)$ $E(\лямбда)$ $N*A(\лямбда ,\тета )$

SHGC можно оценить с помощью имитационных моделей или измерить, регистрируя общий тепловой поток через окно с помощью калориметрической камеры. В обоих случаях стандарты NFRC описывают процедуру испытания и расчета SHGC. ^[10] Для динамической фенестрации или действующего затенения каждое возможное состояние может быть описано различным SHGC.

Хотя SHGC более реалистичен, чем SC, оба варианта являются лишь грубыми приближениями, когда включают в себя сложные элементы, такие как затеняющие устройства, которые обеспечивают более точный контроль за тем, когда оконные проемы затеняются от солнечного излучения, чем обработка стекла. ^[5]

Усиление солнечной энергии в непрозрачных строительных компонентах

Помимо окон, стены и крыши также служат путями для получения солнечной энергии. В этих компонентах передача тепла полностью обусловлена поглощением, проводимостью и повторным излучением, поскольку вся пропускаемость блокируется в непрозрачных материалах. Основной метрикой в непрозрачных компонентах является индекс отражения солнечной энергии, который учитывает как отражение солнечной энергии (альбедо), так и излучательную способность поверхности. ^[11] Материалы с высоким SRI будут отражать и излучать большую часть тепловой энергии, сохраняя их более прохладными, чем другие наружные покрытия. Это весьма существенно при проектировании крыш, поскольку темные кровельные материалы часто могут быть на 50 °C горячее температуры окружающего воздуха, что приводит к большим тепловым напряжениям, а также к передаче тепла во внутреннее пространство. ^[5]

Усиление солнечной энергии и проектирование зданий

Солнечный прирост может иметь как положительные, так и отрицательные эффекты в зависимости от климата. В контексте пассивного солнечного проектирования зданий цель проектировщика обычно заключается в том, чтобы максимизировать солнечный прирост внутри здания зимой (чтобы снизить потребность в отоплении помещений ) и контролировать его летом (чтобы минимизировать потребность в охлаждении). Тепловая масса может использоваться для выравнивания колебаний в течение дня и в некоторой степени между днями.

Контроль солнечного прироста

Неконтролируемое солнечное усиление нежелательно в жарком климате из-за его потенциального перегрева помещения. Чтобы минимизировать это и уменьшить нагрузку на охлаждение, существует несколько технологий для снижения солнечного усиления. SHGC зависит от цвета или оттенка стекла и его степени отражательной способности . Отражательная способность может быть изменена путем нанесения отражающих оксидов металлов на поверхность стекла. Низкоэмиссионное покрытие является еще одним недавно разработанным вариантом, который обеспечивает большую специфичность в длинах волн, отраженных и переизлученных. Это позволяет стеклу блокировать в основном коротковолновое инфракрасное излучение без значительного снижения видимой пропускаемости . ^[3]

В климатически-чувствительном дизайне для холодного и смешанного климата окна обычно имеют размер и расположение, чтобы обеспечить приток солнечного тепла в отопительный сезон. С этой целью часто используется остекление с относительно высоким коэффициентом притока солнечного тепла, чтобы не блокировать приток солнечного тепла, особенно на солнечной стороне дома. SHGC также уменьшается с количеством стекол, используемых в окне. Например, в окнах с тройным остеклением SHGC, как правило, находится в диапазоне 0,33 - 0,47. Для окон с двойным остеклением SHGC чаще находится в диапазоне 0,42 - 0,55.

Для увеличения или уменьшения поступления солнечного тепла через оконные проемы можно использовать различные типы стекла, но также можно добиться более точной настройки путем правильной ориентации окон и добавления солнцезащитных устройств, таких как навесы , жалюзи , ребра, веранды и другие архитектурные элементы затенения.

Пассивное солнечное отопление

Пассивное солнечное отопление — это стратегия проектирования, которая пытается максимизировать количество солнечного прироста в здании, когда требуется дополнительное отопление. Оно отличается от активного солнечного отопления, которое использует внешние водяные баки с насосами для поглощения солнечной энергии, поскольку пассивные солнечные системы не требуют энергии для перекачивания и хранят тепло непосредственно в конструкциях и отделке занимаемого пространства. ^[12]

В системах прямого солнечного притока состав и покрытие остекления здания также могут быть изменены для увеличения парникового эффекта путем оптимизации их радиационных свойств, в то время как их размер, положение и затенение могут быть использованы для оптимизации солнечного притока. Солнечное притока также может быть передано в здание с помощью косвенных или изолированных систем солнечного притока.

Пассивные солнечные конструкции обычно используют большие окна, обращенные к экватору, с высоким SHGC и навесами, которые блокируют солнечный свет в летние месяцы и позволяют ему проникать в окно зимой. При размещении на пути принимаемого солнечного света, элементы с высокой тепловой массой, такие как бетонные плиты или стены тромба, сохраняют большое количество солнечного излучения в течение дня и медленно выпускают его в пространство в течение ночи. ^[13] При правильном проектировании это может модулировать колебания температуры. Некоторые из текущих исследований в этой области рассматривают компромисс между непрозрачной тепловой массой для хранения и прозрачным остеклением для сбора посредством использования прозрачных материалов с изменяющейся фазой, которые как пропускают свет, так и сохраняют энергию без необходимости чрезмерного веса. ^[14]

Смотрите также

Ссылки

^ Фрота, Анесия Баррос (1999). Руководство по эксплуатации терминалов. Суэли Рамос Шиффер (3-е изд.). Сан-Паулу: Нобелевская студия. ISBN 85-85445-39-4. OCLC 46753712.
^ abc ASHRAE (2013). "Глава 15. Проемы". Справочник ASHRAE: Основы . Атланта, Джорджия: ASHRAE.
^ abcdef ANSI/NFRC 200-2017: Процедура определения коэффициента солнечного тепла, получаемого от оконных конструкций, и видимого пропускания при нормальном падении., NFRC, 2017 , получено 9 ноября 2017 г.
^ abcd МакКлуни, Росс (1996), Анализ солнечного прироста через фенестрацию , Флоридский центр солнечной энергии/Университет Центральной Флориды, CiteSeerX 10.1.1.30.2472
^ abc Лехнер, Норберт (2009). Отопление, охлаждение, освещение: устойчивые методы проектирования для архитекторов (3-е изд.). John Wiley & Sons. стр. 250–252. ISBN 9780470048092.
^ "Документация WINDOW" . Получено 7 октября 2017 г.
^ ICC (2009). Международный кодекс энергосбережения 2009 года.
^ МакКлуни, Росс (1991). «Смерть коэффициента затенения?». Журнал ASHRAE (март): 36–45 . Получено 7 октября 2017 г.
^ "British Fenestration Rating Council". BFRC . Получено 9 ноября 2017 г.
^ ANSI/NFRC 201-2017: Процедура для временного стандартного метода испытаний для измерения коэффициента поступления солнечного тепла в оконные системы с использованием методов калориметрии Hot Box , NFRC, стр. 19
^ «Стандартная практика расчета индекса солнечного отражения горизонтальных и слабонаклонных непрозрачных поверхностей». West Conshohocken, PA: ASTM International. 2001. doi :10.1520/E1980-11.
^ Balcomb, JD; Hedstrom, JC; McFarland, RD (1977). «Анализ моделирования пассивных зданий с солнечным отоплением — предварительные результаты». Solar Energy . 19 (3): 2–12. Bibcode :1977SoEn...19..277B. doi :10.1016/0038-092X(77)90071-8.
^ Balcomb, J.Douglas, редактор. Пассивные солнечные здания. MIT Press, 1992. ^{[ нужна страница ]}
^ Manz, H; Egolf, PW; Suter, P; Goetzberger, A (1997). "Система наружных стен TIM–PCM для солнечного отопления помещений и дневного освещения". Solar Energy . 61 (6): 369. Bibcode :1997SoEn...61..369M. doi :10.1016/S0038-092X(97)00086-8.