Солнечное усиление - Solar gain

Солнечная энергия через окна включает энергию, передаваемую непосредственно через стекло, и энергию, поглощаемую стеклом и рамой, а затем повторно излучаемую в пространство.

Солнечная энергия проиллюстрирована снегом на крыше этого дома: солнечный свет растопил весь снег, за исключением области, затененной дымоходом справа.

Солнечная энергия (также известная как получение солнечного тепла или пассивное солнечное усиление ) - это увеличение тепловой энергии пространства, объекта или конструкции, поскольку они поглощают падающее солнечное излучение . Количество солнечного излучения, которое испытывает космос, является функцией общей падающей солнечной радиации и способности любого промежуточного материала передавать или противостоять излучению.

Объекты, пораженные солнечным светом, поглощают его видимые и коротковолновые инфракрасные компоненты, повышают температуру, а затем повторно излучают это тепло в более длинных инфракрасных волнах . Хотя прозрачные строительные материалы, такие как стекло, позволяют видимому свету проходить почти беспрепятственно, как только этот свет преобразуется материалами в помещении в длинноволновое инфракрасное излучение, он не может уйти обратно через окно, поскольку стекло непрозрачно для этих более длинных волн. Таким образом, захваченное тепло вызывает усиление солнечной энергии за счет явления, известного как парниковый эффект . В зданиях чрезмерное солнечное излучение может привести к перегреву помещения, но оно также может использоваться в качестве стратегии пассивного обогрева, когда требуется тепло.

Свойства оконного солнечного усиления

Солнечная энергия чаще всего рассматривается при проектировании и выборе окон и дверей. Из-за этого наиболее распространенные метрики для количественной оценки солнечного усиления используются в качестве стандартного способа отчета о тепловых свойствах оконных сборок. В Соединенных Штатах Американское общество инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха ( ASHRAE ) и Национальный совет по рейтингам вентиляции (NFRC) поддерживают стандарты для расчета и измерения этих значений.

Коэффициент затемнения

Коэффициент затемнения (SC) - это показатель радиационных тепловых характеристик стеклопакета (панели или окна) в здании . Он определяется как отношение солнечного излучения с заданной длиной волны и углом падения, проходящего через стеклянный блок, к излучению, которое проходит через эталонное окно безрамного прозрачного флоат-стекла толщиной 3 миллиметра (0,12 дюйма). Поскольку сравниваемые величины зависят как от длины волны, так и от угла падения, коэффициент затенения для оконного блока обычно указывается для одной длины волны, типичной для солнечного излучения, поступающего перпендикулярно плоскости стекла. Эта величина включает в себя как энергию, которая передается непосредственно через стекло, так и энергию, которая поглощается стеклом и рамой и повторно излучается в пространство, и определяется следующим уравнением:

${\ Displaystyle F (\ лямбда, \ тета) = Т (\ лямбда, \ тета) + N * А (\ лямбда, \ тета)}$

Здесь λ - длина волны излучения, θ - угол падения. «T» - это коэффициент пропускания стекла, «A» - его поглощающая способность, а «N» - это доля поглощенной энергии, которая повторно излучается в пространство. Таким образом, общий коэффициент затенения определяется соотношением:

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

Коэффициент затемнения зависит от радиационных свойств оконной конструкции. Этими свойствами являются коэффициент пропускания "T", коэффициент поглощения "A", коэффициент излучения (который равен коэффициенту поглощения для любой заданной длины волны) и коэффициент отражения, все из которых являются безразмерными величинами, которые в сумме составляют 1. Такие факторы, как цвет , оттенок и отражающие покрытия влияют на эти свойства, что и побудило разработку коэффициента затемнения в качестве поправочного коэффициента для его учета. Таблица коэффициентов увеличения солнечного тепла ASHRAE обеспечивает ожидаемое солнечное тепловыделение для ⅛-дюймового прозрачного флоат-стекла на разных широтах, ориентациях и в разное время, которое можно умножить на коэффициент затенения, чтобы скорректировать различия в радиационных свойствах. Значение коэффициента затемнения колеблется от 0 до 1. Чем ниже рейтинг, тем меньше солнечного тепла передается через стекло и тем выше его затеняющая способность.

Помимо свойств стекла, в расчет SC также включаются затеняющие устройства, встроенные в оконную конструкцию. Такие устройства могут снижать коэффициент затемнения, блокируя части остекления непрозрачным или полупрозрачным материалом, тем самым снижая общую проницаемость.

Методы проектирования окон перешли от коэффициента затемнения к коэффициенту увеличения солнечного тепла (SHGC) , который определяется как доля падающего солнечного излучения, которое фактически проникает в здание через всю оконную конструкцию в виде притока тепла (а не только части стекла). ). Стандартный метод расчета SHGC также использует более реалистичный метод по длине волны, а не просто предоставляет коэффициент для одной длины волны, как это делает коэффициент затенения. Хотя коэффициент затенения по-прежнему упоминается в документации производителя по продукции и в некоторых отраслевых компьютерных программах, он больше не упоминается как опция в отраслевых текстах или нормах строительства моделей. Помимо присущих ему неточностей, еще одним недостатком SC является его нелогичное название, которое предполагает, что высокие значения равны сильному затенению, хотя на самом деле верно противоположное. Технические эксперты отрасли признали ограниченность SC и подтолкнули к SHGC в Соединенных Штатах (и аналогичному g-значению в Европе) до начала 1990-х годов.

Переход от SC к SHGC не обязательно является простым, поскольку каждый из них учитывает разные механизмы и пути теплопередачи (оконная сборка или только стекло). Чтобы выполнить приблизительное преобразование из SC в SHGC, умножьте значение SC на 0,87.

g-значение

Значение g (иногда также называемое солнечным фактором или общим коэффициентом пропускания солнечной энергии) - это коэффициент, обычно используемый в Европе для измерения коэффициента пропускания солнечной энергии окон. 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, а 0,0 представляет окно без коэффициента пропускания солнечной энергии. На практике, однако, большинство значений g будет находиться в диапазоне от 0,2 до 0,7, а солнцезащитное остекление имеет значение g менее 0,5.

Коэффициент солнечного тепловыделения (SHGC)

SHGC является преемником коэффициента затемнения, используемого в Соединенных Штатах, и представляет собой отношение прошедшего солнечного излучения к падающему солнечному излучению всего оконного блока. Он варьируется от 0 до 1 и относится к коэффициенту пропускания солнечной энергии окна или двери в целом, с учетом стекла, материала рамы, створки (при наличии), разделенных световых решеток (при наличии) и экранов (при наличии). Коэффициент пропускания каждого компонента рассчитывается аналогично коэффициенту затемнения. Однако, в отличие от коэффициента затенения, полное солнечное усиление рассчитывается для каждой длины волны, где непосредственно передаваемая часть коэффициента солнечного тепловыделения определяется по формуле:

${\ displaystyle T = \ int \ limits _ {350 \ nm} ^ {3500 \ nm} T (\ lambda) E (\ lambda) d \ lambda}$

Здесь - спектральный коэффициент пропускания на данной длине волны в нанометрах, а - спектральная освещенность падающего солнечного света. При интегрировании по длинам волн солнечного коротковолнового излучения он дает общую долю переданной солнечной энергии по всем длинам солнечных волн. Таким образом, продукт представляет собой часть поглощенной и повторно излучаемой энергии всеми компонентами сборки, помимо стекла. Важно отметить, что стандартный SHGC рассчитывается только для угла падения, нормального к окну. Однако это дает хорошую оценку в широком диапазоне углов, в большинстве случаев до 30 градусов от нормы. ${\ Displaystyle Т (\ лямбда)}$ ${\ Displaystyle Е (\ лямбда)}$ ${\ Displaystyle Н * А (\ лямбда, \ тета)}$

SHGC можно оценить с помощью имитационных моделей или измерить путем регистрации общего теплового потока через окно с калориметрической камерой. В обоих случаях стандарты NFRC описывают процедуру проверки и расчета SHGC. Для динамического фенестрирования или действующего затенения каждое возможное состояние может быть описано с помощью отдельного SHGC.

Хотя SHGC более реалистичен, чем SC, оба являются лишь приблизительными приближениями, если включают в себя сложные элементы, такие как затеняющие устройства, которые предлагают более точный контроль над тем, когда фенестрация затеняется от солнечного излучения, чем обработка стекла.

Солнечная энергия в непрозрачных строительных компонентах

Помимо окон, стены и крыши также служат путями для получения солнечной энергии. В этих компонентах теплопередача полностью происходит за счет поглощения, проводимости и повторного излучения, поскольку все пропускание заблокировано в непрозрачных материалах. Основным показателем непрозрачных компонентов является индекс солнечного отражения, который учитывает как коэффициент отражения солнечного света (альбедо), так и излучательную способность поверхности. Материалы с высоким SRI будут отражать и выделять большую часть тепловой энергии, сохраняя их более прохладными, чем другие виды внешней отделки. Это очень важно при проектировании крыш, поскольку темные кровельные материалы часто могут быть на 50 ° C выше температуры окружающего воздуха, что приводит к большим тепловым напряжениям, а также к передаче тепла во внутреннее пространство.

Солнечная энергия и конструкция здания

Солнечная энергия может иметь как положительные, так и отрицательные эффекты в зависимости от климата. В контексте проектирования зданий с использованием пассивных солнечных батарей целью проектировщика обычно является максимальное увеличение солнечной энергии в здании зимой (для снижения потребности в обогреве помещения ) и управление им летом (для минимизации требований к охлаждению). Тепловая масса может использоваться для выравнивания колебаний в течение дня и, в некоторой степени, между днями.

Контроль солнечного усиления

Неконтролируемое солнечное усиление нежелательно в жарком климате из-за возможности перегрева помещения. Чтобы свести к минимуму это и снизить охлаждающую нагрузку, существует несколько технологий уменьшения солнечной энергии. На SHGC влияет цвет или оттенок стекла и его степень отражения . Отражательную способность можно изменить путем нанесения на поверхность стекла отражающих оксидов металлов. Покрытие с низким коэффициентом излучения - еще один недавно разработанный вариант, который обеспечивает большую специфичность отраженных и повторно излучаемых длин волн. Это позволяет стеклу блокировать в основном коротковолновое инфракрасное излучение без значительного снижения пропускания видимого света .

При проектировании с учетом климатических требований для холодного и смешанного климата окна обычно имеют размер и расположение, обеспечивающие приток солнечного тепла в течение отопительного сезона. С этой целью часто используется остекление с относительно высоким коэффициентом поступления солнечного тепла, чтобы не блокировать приток солнечного тепла, особенно на солнечной стороне дома. SHGC также уменьшается с увеличением количества оконных стекол. Например, для окон с тройным остеклением SHGC обычно находится в диапазоне 0,33–0,47. Для стеклопакетов SHGC чаще бывает в пределах 0,42 - 0,55.

Для увеличения или уменьшения притока солнечного тепла за счет окон можно использовать разные типы стекла, но их также можно более точно настроить за счет правильной ориентации окон и добавления затеняющих устройств, таких как выступы , жалюзи , ласты, веранды и т. Д. архитектурные элементы штриховки.

Пассивное солнечное отопление

Пассивное солнечное отопление - это стратегия проектирования, которая пытается максимизировать количество солнечной энергии в здании, когда требуется дополнительное отопление. Он отличается от активного солнечного отопления, в котором используются внешние резервуары для воды с насосами для поглощения солнечной энергии, поскольку пассивные солнечные системы не требуют энергии для перекачивания и накапливают тепло непосредственно в конструкциях и отделке занимаемого пространства.

В системах с прямым солнечным излучением состав и покрытие остекления здания также можно изменять для увеличения парникового эффекта за счет оптимизации их радиационных свойств, в то время как их размер, положение и затенение можно использовать для оптимизации солнечного излучения. Солнечная энергия также может передаваться в здание с помощью непрямых или изолированных систем солнечной энергии.

В пассивных солнечных конструкциях обычно используются большие окна, выходящие на юг, с высоким SHGC и выступами, которые блокируют солнечный свет в летние месяцы и позволяют ему проникать в окно зимой. При размещении на пути допускаемого солнечного света элементы с высокой тепловой массой, такие как бетонные плиты или стены с тромбами, накапливают большое количество солнечного излучения в течение дня и медленно выпускают его в пространство в течение ночи. При правильной конструкции он может модулировать колебания температуры. Некоторые из текущих исследований в этой предметной области обращаются к компромиссу между непрозрачной тепловой массой для хранения и прозрачным остеклением для сбора за счет использования прозрачных материалов с фазовым переходом, которые пропускают свет и накапливают энергию без необходимости чрезмерного веса.

Languages

In other projects