Солнечное усиление

редактировать

Солнечное усиление через окна включает энергию, передаваемую непосредственно через стекло, и энергию, поглощаемую стеклом и рамой, а затем повторно излучаемую в пространство

Солнечное усиление иллюстрируется снегом на крыше этого дома: солнечный свет растопил весь снег, за исключением области, затененной дымоходом справа.

Солнечное усиление (также известное как приток солнечного тепла или пассивное солнечное усиление ) - это увеличение тепловой энергии пространства, объекта или конструкции по мере поглощения падающего солнечного излучения. Количество солнечного усиления, которое испытывает космос, является функцией общей падающей солнечной освещенности 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 длинах волн. Хотя прозрачные строительные материалы, такие как стекло, позволяют видимому свету проходить практически беспрепятственно, как только этот свет преобразуется материалами в помещении в длинноволновое инфракрасное излучение, он не может уйти обратно через окно, поскольку стекло непрозрачно для 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 в помещении, но оно также может использоваться в качестве стратегии пассивного обогрева, когда требуется тепло.

Содержание

1 Окно свойств солнечного усиления
- 1.1 Коэффициент затенения
- 1.2 G-Value
- 1.3 Коэффициент солнечного теплового усиления (SHGC)
2 Солнечное усиление в непрозрачных компонентах здания
3 Солнечное усиление и конструкция здания
- 3.1 Контроль солнечного усиления
- 3.2 Пассивное солнечное отопление
4 См. Также
5 Ссылки

Окно свойств солнечного усиления

Солнечное усиление рассматривается наиболее часто в дизайне и выборе окон и дверей. Из-за этого наиболее распространенные показатели для количественной оценки солнечного усиления используются в качестве стандартного способа сообщения о тепловых свойствах оконных сборок. В Соединенных Штатах Американское общество инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха (ASHRAE ) и Национальный совет по рейтингам окон (NRFC) поддерживают стандарты для расчета и измерения эти значения.

Коэффициент затемнения

Коэффициент затенения (SC) - это мера радиационных тепловых характеристик элемента из стекла. (панель или окно) в здании. Он определяется как отношение солнечного излучения с заданной длиной волны и углом падения, проходящего через стеклянный блок, к излучению, которое может пройти 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 оконного блока обычно указывается для одной длины волны, типичной для солнечного излучения, поступающего перпендикулярно плоскости стекла. Эта величина включает в себя энергию, которая передается непосредственно через стекло, а также энергию, которая поглощается стеклом и рамой и повторно излучается в пространство, и определяется следующим уравнением:

$F (λ, θ) = T (λ, θ) + N ∗ A (λ, θ) {\ Displaystyle F (\ lambda, \ theta) = T (\ lambda, \ theta) + N * A (\ lambda, \ theta)}$ ${\ displaystyle F ( \ lambda, \ theta) = T (\ lambda, \ theta) + N * A (\ lambda, \ theta)}$

Здесь λ - длина волны излучения, а 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:

$S. C. Знак равно F (λ, θ) 1 / F (λ, θ) о {\ Displaystyle SC = F (\ lambda, \ theta) _ {1} / F (\ lambda, \ theta) _ {o}}$ ${\ displaystyle SC = F (\ lambda, \ theta) _ {1} / F (\ lambda, \ theta) _ {o}}$

Коэффициент затемнения зависит от радиационных свойств оконной сборки. Этими свойствами являются коэффициент пропускания «T», коэффициент поглощения «A», коэффициент излучения (который равен коэффициенту поглощения для любой данной длины волны) и отражательная способность, все из которых являются безразмерными величинами, сумма которых в сумме равна 1. Такие факторы, как цвет, оттенок и отражающие покрытия влияют на эти свойства, что и побудило к разработке коэффициента затемнения в качестве поправочного коэффициента. чтобы учесть это. 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, затеняющие устройства, встроенные в оконный блок, также включаются в расчет SC. Такие устройства могут уменьшить коэффициент затемнения, блокируя части остекления непрозрачным или полупрозрачным материалом, тем самым снижая общую пропускаемость.

Методы проектирования окон отошли от коэффициента затенения в сторону увеличения солнечного тепла Коэффициент (SHGC), который определяется как доля падающего солнечного излучения, которая фактически проникает в здание через всю оконную конструкцию в виде притока тепла (а не только через часть 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 все еще 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 затемнению, когда на самом деле верно противоположное. Технические эксперты отрасли признали ограничения SC и подтолкнули к SHGC в Соединенных Штатах (и аналогичному g-value в Европе) до начала 1990-х годов.

Переход с SC на SHGC не обязательно прост, поскольку они в каждом из них учитываются разные механизмы и пути теплопередачи (оконная конструкция или только стекло). Чтобы выполнить приблизительное преобразование из SC в SHGC, умножьте значение SC на 0,87.

G-Value

G-value (иногда также называемое солнечным фактором или общим коэффициентом пропускания солнечной энергии). Коэффициент, обычно используемый 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, равное 1,0, представляет полное пропускание всего солнечного излучения, а 0,0 представляет окно без коэффициента пропускания солнечной энергии. Однако на практике большинство значений g будет находиться в диапазоне от 0,2 до 0,7, с солнцезащитным остеклением, имеющим значение g менее 0,5.

Коэффициент увеличения солнечного тепла (SHGC)

SHGC равен преемник 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 (если есть), разделенных тонких решеток (если есть) и экранов (если есть). 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 как:

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

Здесь $T (λ) {\ displaystyle T (\ lambda)}$ ${\ displaystyle T (\ lambda)}$ - спектральный коэффициент пропускания на данной длине волны в нанометрах, а $E (λ) {\ displaystyle E (\ lambda)}$ $E (\ lambda)$ - падающая солнечная спектральная освещенность. При интегрировании по длинам волн солнечного коротковолнового излучения он дает общую долю переданной солнечной энергии по всем длинам солнечных волн. Таким образом, произведение $N ∗ A (λ, θ) {\ displaystyle N * A (\ lambda, \ theta)}$ ${\ displaystyle N * A (\ lambda, \ theta)}$ представляет собой долю поглощенной и повторно испускаемой энергии по всем компонентам сборки, помимо стакан. Важно отметить, что стандартный SHGC рассчитывается только для угла падения, нормального к окну. Однако это, как правило, обеспечивает хорошую оценку в широком диапазоне углов, в большинстве случаев до 30 градусов от нормы.

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 тестирования и расчета SHGC. Для динамических окон или работающего затенения каждое возможное состояние может быть описано разными 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 компонентах здания

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. Первичным показателем непрозрачных компонентов является индекс отражения солнечного света, который учитывает как коэффициент отражения солнечного света (альбедо), так и коэффициент излучения поверхности. Материалы с высоким SRI будут отражать и выделять большую часть тепловой энергии, сохраняя их более прохладными, чем другие внешние покрытия. 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.

Солнце Коэффициент усиления и конструкция здания

Солнечное усиление 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 уменьшения потребности в обогреве помещений ) и управление им летом (для минимизации охлаждения требования). 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 его потенциальной 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 отражательной способности. Отражательная способность может быть изменена путем нанесения на поверхность стекла отражающих оксидов металлов. Покрытие с низким коэффициентом излучения - еще одна недавно разработанная опция, которая обеспечивает большую специфичность отраженных и повторно излучаемых длин волн. Это позволяет стеклу блокировать в основном коротковолновое инфракрасное излучение без значительного снижения пропускания видимого света.

В климатически чувствительном дизайне для холодного и смешанного климата окна обычно имеют размер и расположение для обеспечения солнечного света. поступления тепла в отопительный сезон. 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 стеклянных панелей, используемых в окне. Например, в окнах с тройным остеклением SHGC обычно находится в диапазоне 0,33–0,47. Для стеклопакетов ШГК 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, ребра, подъезды и другие архитектурные элементы затенения.

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 перекачки и хранения тепла непосредственно в конструкциях и отделке занимаемого пространства.

В системах с прямым солнечным усилением., составом и покрытием остекления здания также можно управлять для увеличения парникового эффекта путем оптимизации их радиационных свойств, а 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 конструкциях пассивных солнечных панелей 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 солнечного света элементы с высокой тепловой массой, такие как бетонные плиты или стены тромба, 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 стеклом для сбора за счет использования прозрачных материалов с фазовым переходом, которые пропускают свет и накапливают энергию без необходимости чрезмерного веса.

См. Также

Энергетический портал

Литература