Стена тромба

Стена Тромба представляет собой массивную стену, обращенную к экватору, окрашенную в темный цвет для поглощения тепловой энергии падающего солнечного света и покрытую снаружи стеклом с изолирующим воздушным зазором между стеной и глазурью. Стена Тромба — это пассивная солнечная стратегия проектирования зданий , в которой принята концепция непрямого усиления, при которой солнечный свет сначала попадает на поверхность сбора солнечной энергии, контактирующую с тепловой массой воздуха. Солнечный свет, поглощенный массой, преобразуется в тепловую энергию (тепло), а затем передается в жилое помещение.

Стены тромба также называют массовыми стенами. солнечная стена, или стену для хранения тепла. Однако из-за обширной работы профессора и архитектора Феликса Тромба по проектированию пассивно обогреваемых и охлаждаемых солнечных сооружений их часто называют Стенами Тромба.

Эта система похожа на воздухонагреватель (простой застекленный короб на южной стене с темным поглотителем, воздушным пространством и двумя наборами вентиляционных отверстий сверху и снизу), созданный профессором Эдвардом С. Морсом сто лет назад.

История пассивных солнечных систем и эволюция стен Тромба

В 1920-х годах идея солнечного отопления возникла в Европе. В Германии жилищные проекты были разработаны с учетом преимуществ солнца. Исследования и накопленный опыт в области солнечного дизайна затем распространились по Атлантике благодаря таким архитекторам, как Вальтер Гропиус и Марсель Брейер. Помимо этих ранних примеров, отопление домов солнцем продвигалось медленно до 1930-х годов, когда несколько разных американских архитекторов начали исследовать потенциал солнечного отопления. Новаторская работа этих американских архитекторов, влияние европейцев-иммигрантов и память о нехватке топлива во время войны сделали солнечное отопление очень популярным во время первоначального жилищного бума в конце Второй мировой войны.

Позже, в 1970-х годах, до и после международного нефтяного кризиса 1973 года, некоторые европейские архитектурные периодические издания критиковали стандартные методы строительства и архитектуру того времени. Они описали, как архитекторы и инженеры отреагировали на кризис, предложив новые методы и проекты для инновационного вмешательства в искусственную среду, более эффективно используя энергию и природные ресурсы. Более того, истощение природных источников вызвало интерес к возобновляемым источникам энергии, таким как солнце. Кроме того, параллельно с ростом мирового населения потребление энергии и экологические проблемы становятся глобальной проблемой, особенно в то время, когда строительный сектор потребляет больше всего энергии в мире, и большая часть энергии используется для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. По этим причинам сегодня ожидается, что здания будут иметь как энергоэффективный, так и экологически чистый дизайн, используя частично или полностью возобновляемую энергию вместо ископаемой энергии для отопления и охлаждения. В этом направлении интеграция пассивных солнечных систем в зданиях является одной из стратегий устойчивого развития и все больше поощряется международными нормами.

Сегодняшние низкоэнергетические здания со стенами Тромба часто улучшают древнюю технику, включающую в себя систему хранения и подачи тепла, которую использовали люди: толстые стены из самана или камня, чтобы удерживать солнечное тепло в течение дня и медленно и равномерно отдавать его ночью для обогрева. их здание. Сегодня стена Тромба продолжает служить эффективной стратегией пассивного солнечного дизайна.Хорошо известный пример стеновой системы Тромбе впервые был использован в доме Тромбе в Одейо, Франция, в 1967 году. Стена, окрашенная в черный цвет, построена из бетона толщиной примерно 2 фута с воздушным пространством и двойным остеклением на внешней стороне. Дом в основном обогревается за счет излучения и конвекции от внутренней поверхности бетонной стены, и результаты исследований показывают, что 70% ежегодных потребностей в отоплении этого здания удовлетворяются за счет солнечной энергии. Таким образом, эффективность системы сравнима с хорошей системой активного солнечного отопления. Фотоэлектрические батареи для производства электроэнергии преобразуют 15–20% излучения в энергию. Это означает, что его энергоэффективность низкая — теряется 85% солнечной радиации. В то время как солнечный тепловой коллектор Trombe Wall способен преобразовывать 70-80% солнечного излучения в тепло, то есть он гораздо более энергоэффективен и производит больше тепла.

Затем в 1970 году в Монмеди, Франция, была построена еще одна пассивная коллекторно-распределительная система Trombe Wall. Дом площадью 280 м. ³ жилой площади требовалось 7000 кВтч для отопления помещений в год. В Монтмеди, между 49° и 50° северной широты, 5400 кВтч обеспечивались за счет солнечного отопления, а остальная часть - от вспомогательной электрической системы. Годовая стоимость отопления электричеством составила примерно 225 долларов США по сравнению с примерно 750 долларами США за дом, полностью отапливаемый электричеством в том же районе. Это приводит к снижению тепловой нагрузки на 77% и снижению затрат на отопление в зимнее время на 70%.

В 1974 году первый образец стеновой системы Тромба был использован в доме Келбо в Принстоне, штат Нью-Джерси. Дом расположен вдоль северной границы участка, чтобы максимально обеспечить незатененный доступ солнечного света. Двухэтажное здание имеет высоту 600 футов. ² стены для хранения тепла, построенной из бетона и окрашенной селективной черной краской поверх герметика для каменной кладки. Хотя основной обогрев осуществляется за счет излучения и конвекции с внутренней стороны стены, два вентиляционных отверстия в стене также обеспечивают дневное отопление за счет естественной конвекционной петли. По данным, собранным зимой 1975–1976 и 1976–1977 годов, стеновая система Тромбе снизила затраты на отопление соответственно на 76% и 84%.

Стена Тромба собирает тепло в течение дня.

Из-за временной задержки стены, вызванной теплоемкостью материала стены, большая часть тепла выделяется ночью.

Как работают стены Тромба

В отличие от активной солнечной системы, в которой для сбора или передачи тепла используется аппаратное и механическое оборудование, стена Тромба представляет собой пассивную систему солнечного отопления, в которой тепловая энергия течет в системе естественным путем, таким как излучение, проводимость и естественная конвекция. Как следствие, стена поглощает солнечный свет своей внешней стороной, а затем передает это тепло через стену за счет проводимости. Тепло, проводимое через стену, затем распространяется в жилое пространство за счет излучения и, в некоторой степени, конвекции от внутренней поверхности стены.

помогает Парниковый эффект этой системе, задерживая солнечное излучение между остеклением и тепловой массой. Солнечное тепло в виде более коротковолнового излучения проходит через остекление практически беспрепятственно. Когда это излучение попадает на темную поверхность тепловой массы, обращенную к солнцу, энергия поглощается, а затем повторно излучается в виде более длинноволнового излучения, которое не может так легко пройти через остекление. Следовательно, тепло улавливается и накапливается в воздушном пространстве между тепловой массой с высокой теплоемкостью и стеклом, обращенным к солнцу.

Еще одним явлением, которое играет роль в работе стены Тромба, является задержка во времени, вызванная теплоемкостью материалов . Поскольку стенки Тромба довольно толстые и изготовлены из материалов с высокой теплоемкостью, тепловой поток от более теплой внешней поверхности к более холодной внутренней поверхности происходит медленнее, чем у других материалов с меньшей теплоемкостью. Это явление задержки теплового потока известно как временная задержка, и оно приводит к тому, что тепло, полученное в течение дня, позже достигает внутренней поверхности тепловой массы. Это свойство массы помогает обогревать жилое помещение и в вечернее время. Итак, если массы достаточно, стена может всю ночь действовать как лучистый обогреватель. С другой стороны, если масса слишком густая, передача собранной ею тепловой энергии занимает слишком много времени, таким образом, жилое помещение не получает достаточно тепла в вечерние часы, когда оно необходимо больше всего. Аналогично, если тепловая масса слишком тонкая, она слишком быстро передает тепло, что приводит к перегреву жилого помещения в течение дня и небольшому количеству энергии, остающейся на вечер. Кроме того, стены Тромбе, использующие воду в качестве тепловой массы, собирают и распределяют тепло в пространстве таким же образом, но они передают тепло через компоненты стены (трубы, бутылки, бочки, бочки и т. д.) за счет конвекции, а не за счет проводимости и конвекционные характеристики водяных стен различаются в зависимости от их различной теплоемкости. Большие объемы хранения обеспечивают большую и долгосрочную способность хранения тепла, в то время как меньшие объемы хранения обеспечивают большие поверхности теплообмена и, следовательно, более быстрое распределение.

Проектирование и строительство

Стены тромба часто проектируются так, чтобы выполнять несущую функцию, а также собирать и хранить солнечную энергию, а также защищать внутренние пространства здания. Требования к стене Тромба — это площади остекления, обращенные к экватору для максимального притока солнечной энергии зимой, и тепловая масса, расположенная на расстоянии 4 дюймов или более непосредственно за стеклом, которая служит для хранения и распределения тепла. Кроме того, существует множество факторов, таких как цвет, толщина или дополнительные устройства терморегулирования, которые влияют на дизайн и эффективность Trombe Walls. Экваториальное направление, то есть на юг в северном полушарии и на север в южном полушарии, является лучшим вращением для пассивных солнечных стратегий, поскольку они собирают гораздо больше солнца в течение дня, чем теряют ночью, а зимой собирают гораздо больше солнца, чем зимой. лето.

Водяная стена с бочками емкостью 55 галлонов, Корралес, Нью-Мексико, США.

Первая стратегия дизайна, направленная на повышение эффективности Trombe Walls, — это покрасить внешнюю поверхность стены в черный (или темный цвет) для наилучшего поглощения солнечного света. Более того, селективное покрытие стены Trombe улучшает ее характеристики за счет уменьшения количества инфракрасной энергии, излучаемой обратно через стекло. Селективная поверхность состоит из листа металлической фольги, приклеенной к внешней поверхности стены, и поглощает почти все излучение в видимой части солнечного спектра и очень мало излучает в инфракрасном диапазоне. Высокая поглощающая способность превращает солнечный свет в тепло на поверхности стены, а низкий коэффициент излучения предотвращает излучение тепла обратно к стеклу.

Хотя стены Тромба обычно изготавливаются из твердых материалов, таких как бетон, кирпич, камень или саман, они также могут быть сделаны из воды. Преимущество использования воды в качестве тепловой массы заключается в том, что вода сохраняет значительно больше тепла на единицу объема (имеет большую теплоемкость), чем каменная кладка. Разработчик этой водяной стены Стив Бэйр называет эту систему «Барабанная стена». Он покрасил стальные контейнеры, похожие на бочки с маслом, и наполнил их почти полной водой, оставив место для теплового расширения. Затем сложил контейнеры горизонтально за двойным остеклением, обращенным к экватору, черненым дном наружу. Эта водная стена основана на тех же принципах, что и стены Тромба, но использует другой материал для хранения и другие методы удержания этого материала. Как и темная термальная масса стен Тромба, контейнеры, в которых хранится вода, также часто окрашиваются в темные цвета, чтобы увеличить их поглощающую способность, но также принято оставлять их прозрачными или полупрозрачными, чтобы пропускать немного дневного света.

Еще одной важной частью проектирования стен Тромбе является выбор подходящего материала и толщины с теплоизоляцией. Оптимальная толщина термомассы зависит от теплоемкости и теплопроводности используемого материала. При определении размера тепловой массы следует соблюдать некоторые правила.

Влияние толщины стенки тепловой массы на колебания температуры воздуха в жилом помещении. Мазрия, Э.

Стена половинной высоты позволяет контролировать прямое усиление дневного отопления и дневного освещения, а также сохранять тепло на ночь.

Оптимальная толщина каменной стены увеличивается по мере увеличения теплопроводности материала стены. Например, чтобы компенсировать быструю передачу тепла через материал с высокой проводимостью, стенка должна быть толще.

Соответственно, поскольку более толстая стена поглощает и сохраняет больше тепла для использования в ночное время, эффективность стены увеличивается по мере увеличения проводимости и толщины стены.

Существует оптимальный диапазон толщины кладочных материалов.

Эффективность водяной стены увеличивается с увеличением толщины стены. Однако трудно заметить значительный прирост производительности, поскольку стенки становятся толще более 6 дюймов. Вероятно, водяная стена толщиной менее 6 дюймов также недостаточна, чтобы действовать как полноценная тепловая масса, сохраняющая тепло в течение дня.

В ранней конструкции стен Тромба на стенах были вентиляционные отверстия для распределения тепла за счет естественной конвекции (термоциркуляции) от внешней поверхности стены, но только в дневное время и ранним вечером. Солнечное излучение, проходящее через стекло, поглощается стеной, нагревая ее поверхность до температуры 150 °F. Это тепло передается воздуху в воздушном пространстве между стеной и стеклом. Через отверстия или вентиляционные отверстия, расположенные в верхней части стены, теплый воздух, поднимающийся в воздушном пространстве, поступает в комнату, одновременно втягивая прохладный воздух из помещения через низкие вентиляционные отверстия в стене. Таким образом, в периоды солнечной погоды в жилое помещение можно подавать дополнительное тепло. Однако теперь ясно, что вентиляционные отверстия плохо работают ни летом, ни зимой. Все более распространенным становится проектирование половины стены тромба, а затем объединение ее с системой прямого усиления. Часть прямого усиления подает тепло в начале дня, в то время как стена Тромба сохраняет тепло для использования в ночное время. Более того, в отличие от цельной стены Тромба, часть с прямым усилением позволяет любоваться видами и наслаждаться зимним солнцем.

Здание, использующее стену Тромбе в качестве пассивной солнечной стратегии в Хопфгартене, Австрия.

Школа со стеной Тромба в Сальте, Аргентина.

Чтобы свести к минимуму возможные недостатки стеновой системы Trombe, в конструкции стены можно использовать дополнительные стратегии терморегулирования. Например, минимальное расстояние в 4 дюйма между стеклом и массой позволяет очистить остекление и при необходимости установить рулонный лучистый барьер. Добавление лучистого барьера или ночной изоляции между остеклением и тепловой массой снижает потери тепла в ночное время и приток тепла летом в дневное время. Однако, чтобы предотвратить перегрев летом, лучше всего было бы объединить эту стратегию с устройством наружного затенения, таким как ставни, свес крыши или внутренняя затенение, чтобы блокировать чрезмерное солнечное излучение от нагрева стены Тромба. Другая стратегия, позволяющая извлечь выгоду из солнечной коллекции без некоторых недостатков стен Тромба, заключается в использовании наружных зеркальных отражателей. Дополнительная площадь отражения помогает стенам Trombe получать больше пользы от солнечного света благодаря возможности снятия или вращения отражателя, если сбор солнечной энергии нежелателен.

При сравнении трех различных настенных фасадов Trombe с одинарным, двойным стеклом и встроенным полупрозрачным фотоэлектрическим модулем в жарком и влажном климате одинарное стекло обеспечивает самый высокий коэффициент усиления солнечного излучения благодаря более высокой эффективности накопления солнечного тепла. Однако в вечернее и ночное время рекомендуется использовать одинарное стекло со ставней, чтобы компенсировать потери тепла. Остекление с высоким коэффициентом пропускания максимизирует солнечное поглощение стены Тромбе, одновременно позволяя распознать темный кирпич, натуральные камни, резервуары для воды или другую привлекательную систему тепломассы за остеклением. Однако с точки зрения эстетики иногда нежелательно различать черную термомассу. В качестве архитектурной детали узорчатое стекло можно использовать для ограничения внешней видимости темной стены без ущерба для прозрачности.

Самая большая стена Тромба на северо-востоке США расположена в здании машиностроения NJIT по адресу 200 Central Avenue, Ньюарк, штат Нью-Джерси.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Колебания температуры в помещении на 10–15 °F меньше в системах с косвенным усилением, чем в системах с прямым усилением. Стены Тромба лучше поддерживают постоянную температуру в помещении, чем другие системы отопления с косвенным усилением.
• Среди стратегий пассивного солнечного отопления стены Тромбе могут гармонизировать отношения между людьми и окружающей средой и широко используются благодаря таким преимуществам, как простая конфигурация, высокая эффективность, нулевые эксплуатационные расходы и так далее.
• Хотя пассивные солнечные технологии могут снизить годовую потребность в отоплении до 25%, В частности, использование стены Тромбе в здании может снизить энергопотребление здания до 30%, а также быть экологически чистым.
• Аналогичным образом, экономия энергии на отоплении в размере 16,36% может быть достигнута, если к ограждающей конструкции здания будет добавлена ​​стена Тромбе.
• Яркий свет, ультрафиолетовое излучение или снижение конфиденциальности в ночное время не являются проблемами при использовании полноразмерной стеновой системы Trombe.
• Как видно из раздела «Проектирование и строительство стен Trombe», характеристики стен Trombe хорошо характеризуются различными конструктивными и климатическими параметрами. Другими возможными модификациями могут быть добавление жесткой изоляционной плиты в зону фундамента и изоляционных завес между стеклом и тепловой массой, чтобы избежать передачи тепла в здание в нежелательные периоды или потерь тепла от стены Тромба к фундаменту, или добавление системы вентиляции в фундамент. стеновая система (если стена имеет верхние и нижние вентиляционные отверстия) для обеспечения дополнительной теплопередачи за счет конвекции воздуха, что желательно для равномерной циркуляции воздуха.
• Подача энергии в жилое помещение более контролируема, чем в системе с прямым усилением. Оно может быть немедленным за счет конвекции для удовлетворения дневных нагрузок или замедленным за счет проводимости и повторного излучения от внутренней поверхности тепловой массы для удовлетворения ночных нагрузок.
• Многократное использование компонентов солнечной энергии помогает значительно снизить общие трудозатраты и материальные затраты на строительство пассивно обогреваемого здания.
• Пруды на крыше, как еще одна стратегия пассивного солнечного отопления, не очень хорошо подходят для многоэтажных зданий, поскольку только верхний этаж находится в прямом тепловом контакте с крышей. Однако стены Тромбе могут быть несущей конструкцией зданий, поэтому фасад каждого этажа, обращенный к экватору, может использовать преимущества стеновой системы Тромбе.
• По сравнению с другими пассивными солнечными системами, использование стен Тромба в коммерческих зданиях со значительными внутренними нагрузками (люди и электронное оборудование) полезно из-за задержки во времени, связанной с передачей энергии через стену в пространство. Поскольку тепловая масса достигает своей мощности и становится способной проводить тепло в вечерние часы, наибольшую выгоду принесет помещение, поскольку оно не вызовет потенциальных проблем с перегревом в часы занятости, но при этом мало повлияет на затраты на отопление, если в здании не будет людей после захода солнца.

Недостатки

• Поскольку стена Тромба объединена в один элемент здания — только фасад, обращенный к экватору, — ее влияние на общий дизайн здания ограничено по сравнению с прудами на крыше или системами прямого усиления.
• Естественный дневной свет теряется в стенах Trombe во всю высоту, если система не объединена с системой прямого усиления или не установлены окна.
• На стенах Тромбе не допускается использование драпировок или других типов покрытий, поскольку они блокируют излучение, испускаемое внутренней поверхностью стены в ночное время.
• Жилые помещения за стенами Тромба нуждаются в альтернативном доступе к естественному дневному свету, чтобы избежать клаустрофобии в этих помещениях.
• Если стена Тромба построена с верхними и нижними вентиляционными отверстиями, верхнее вентиляционное отверстие на тепловой массе может всасывать нагретый воздух из более теплых внутренних помещений в более прохладное воздушное пространство между массой и остеклением (обратный сифон) в ночное время. Чтобы этого избежать, необходимо использовать обратные заслонки.
• В регионах, расположенных ближе к экватору, хотя летняя вентиляция может помочь уменьшить перегрев, изоляция и затенение стены Тромба могут свести к минимуму этот перегрев в жаркое время года.
• Это очень зависимая от климата система, и внешняя температура и уровень падающего солнечного излучения играют важную роль в экономии энергии и сокращении выбросов CO ₂ от стен Тромбе. Несмотря на то, что стены Тромбе, построенные в зонах жаркого лета и теплой зимы, обеспечивают большую экономию энергии на единицу площади стены по сравнению с обычными стенами, они демонстрируют худшие экономические показатели, если солнечная радиация низкая во время отопительного сезона.
• Система требует действий пользователя для управления подвижной изоляцией или ставнями, часто ежедневно.
• В регионах, где местные пользователи не знакомы с системой, чтобы получить максимальную производительность от стеновой системы Trombe, пользователи могут получить рекомендации либо путем моделирования прототипа, либо путем предоставления удобного руководства по эксплуатации стены в разные времена года или дни. . Такое участие может привести к послепроектному принятию идеи стены Тромба и облегчить местным жителям ее воспроизведение на местном уровне.

Уменьшение вариаций дизайна

Качадорский пол преодолевает недостатки стены Тромба, ориентируя ее горизонтально, а не вертикально. Система Barra сочетает в себе настоящие стены Тромба с вентилируемой плитой, напоминающей пол Качадора.

См. также

• Проект пассивного солнечного здания
• Качадорский этаж
• Система Барра
• Список новаторских солнечных зданий

Внешние ссылки

• Веб-сайт школы Druk White Lotus, включая пример стены Тромба .
• Модель Sketchup в 3D Warehouse
• [1] Воздухонагреватель с тем же принципом работы, что и стена Тромба, запатентованный Э.С. Морзе в 1881 году.