Солнечная прибыль

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

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

Солнечная энергия (также известная как солнечная тепловая энергия или пассивная солнечная энергия ) — это увеличение тепловой энергии пространства, объекта или конструкции за счет поглощения падающего солнечного излучения . Величина солнечного излучения, испытываемого пространством, является функцией общего падающего солнечного излучения и способности любого промежуточного материала передавать или сопротивляться излучению.

Объекты, на которые попадает солнечный свет, 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 в длинноволновое инфракрасное излучение материалами внутри помещения, он не может выйти обратно через окно, поскольку стекло непрозрачно для более длинных волн. Таким образом, удерживаемое тепло приводит к увеличению солнечной энергии посредством явления, известного как парниковый эффект . В зданиях чрезмерное солнечное излучение может привести к перегреву помещения, но его также можно использовать в качестве стратегии пассивного отопления, когда требуется тепло.

Свойства солнечной энергии окна

Солнечная энергия чаще всего учитывается при проектировании и выборе окон и дверей. По этой причине наиболее распространенные показатели количественной оценки солнечной энергии используются в качестве стандартного способа отчета о тепловых свойствах оконных сборок. В США Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха ( ASHRAE ), и Национальный рейтинговый совет фенестрации (NFRC). поддерживать стандарты расчета и измерения этих величин.

Коэффициент затенения

Коэффициент затенения (SC) является мерой радиационных тепловых характеристик стеклянного блока (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 могло бы пройти через эталонное окно из бескаркасного прозрачного флоат-стекла толщиной 3 миллиметра (0,12 дюйма). Поскольку сравниваемые величины являются функциями как длины волны, так и угла падения, коэффициент затенения оконной сборки обычно указывается для одной длины волны, типичной для солнечного излучения, входящего 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:

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

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

$S.C.=F(\lambda ,\theta )_{1}/F(\lambda ,\theta )_{o}$

Коэффициент затенения зависит от радиационных свойств оконного блока. Этими свойствами являются коэффициент пропускания «T», коэффициент поглощения «A», коэффициент излучения (который равен коэффициенту поглощения для любой заданной длины волны) и отражательная способность , все из которых являются безразмерными величинами, которые вместе составляют 1. На эти свойства влияют такие факторы, как цвет , оттенок и отражающие покрытия, что побудило к разработке коэффициента затенения в качестве поправочного коэффициента для учета этого. Таблица коэффициентов прироста солнечного тепла ASHRAE обеспечивает ожидаемый приток солнечного тепла для прозрачного флоат-стекла толщиной ⅛ дюйма на разных широтах, в разных ориентациях и времени, который можно умножить на коэффициент затенения, чтобы скорректировать различия в свойствах излучения. Значение коэффициента затенения колеблется от 0 до 1. Чем ниже показатель, тем меньше солнечного тепла передается через стекло и тем выше его затеняющая способность.

Помимо свойств стекла, в расчет СК включаются и солнцезащитные устройства, встроенные в оконный блок. Такие устройства могут снизить коэффициент затенения, блокируя части остекления непрозрачным или полупрозрачным материалом, тем самым снижая общую прозрачность.

Методы проектирования окон отошли от коэффициента затенения к коэффициенту прироста солнечного тепла (SHGC) , который определяется как доля падающего солнечного излучения, которое фактически попадает в здание через всю оконную сборку в виде теплопритока (а не только через часть стекла). ). Стандартный метод расчета SHGC также использует более реалистичный метод по длинам волн, а не просто предоставляет коэффициент для одной длины волны, как это делает коэффициент затенения. Хотя коэффициент затенения все еще упоминается в документации производителя и в некоторых промышленных компьютерных программах, он больше не упоминается как опция в отраслевых текстах или типовые строительные нормы и правила. Помимо присущих ему неточностей, еще одним недостатком SC является его нелогичное название, которое предполагает, что высокие значения соответствуют высокой степени затенения, хотя на самом деле верно обратное. Технические эксперты отрасли осознали ограничения SC и до начала 1990-х годов настаивали на использовании SHGC в США (и аналогичного значения g в Европе).

Переход от SC к SHGC не обязательно является простым, поскольку каждый из них учитывает разные механизмы и пути передачи тепла (оконный блок или только стекло). Чтобы выполнить приблизительный перевод из SC в SHGC, умножьте значение SC на 0,87.

значение g

Значение g (иногда также называемое солнечным фактором или полным коэффициентом пропускания солнечной энергии) — это коэффициент, обычно используемый в Европе для измерения коэффициента 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 собой полный коэффициент пропускания всей солнечной радиации, а значение 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.

Коэффициент прироста солнечного тепла (SHGC)

SHGC является преемником коэффициента затенения, используемого в Соединенных Штатах, и представляет собой отношение прошедшей солнечной радиации к падающей солнечной радиации всей оконной сборки. 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 решеток (если есть) и экранов (если есть). Коэффициент пропускания каждого компонента рассчитывается аналогично коэффициенту затенения. Однако, в отличие от коэффициента затенения, общее солнечное усиление рассчитывается на основе длины волны, где непосредственно передаваемая часть коэффициента прироста солнечного тепла определяется выражением:

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

Здесь $T(\lambda )$ - спектральный коэффициент пропускания на данной длине волны в нанометрах и $E(\lambda )$ – падающее солнечное спектральное излучение. При интегрировании по длинам волн солнечного коротковолнового излучения он дает общую долю передаваемой солнечной энергии на всех длинах солнечных волн. Продукт $N*A(\lambda ,\theta )$ Таким образом, это доля поглощенной и переизлученной энергии всеми компонентами сборки, помимо стекла. 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 нормального.

SHGC можно либо оценить с помощью имитационных моделей, либо измерить путем регистрации общего теплового потока через окно с калориметрической камерой. В обоих случаях стандарты NFRC определяют порядок проведения испытаний и расчета SHGC. Для динамического проема или рабочего затенения каждое возможное состояние может быть описано различным SHGC.

Хотя SHGC более реалистичен, чем SC, оба являются лишь грубыми приближениями, поскольку включают в себя сложные элементы, такие как затеняющие устройства, которые обеспечивают более точный контроль над тем, когда оконный проем затеняется от солнечного света, чем обработка стекла.

Солнечная энергия в непрозрачных компонентах зданий

Помимо окон, стены и крыши также служат источниками солнечной энергии. В этих компонентах передача тепла полностью осуществляется за счет поглощения, проводимости и повторного излучения, поскольку весь коэффициент пропускания блокируется непрозрачными материалами. Основным показателем непрозрачных компонентов является индекс солнечного отражения, который учитывает как коэффициент солнечного отражения (альбедо), так и излучательную способность поверхности. Материалы с высоким индексом SRI отражают и излучают большую часть тепловой энергии, сохраняя при этом более низкую температуру, чем другие виды наружной отделки. Это весьма важно при проектировании крыш, поскольку темные кровельные материалы часто могут иметь температуру на 50 °C выше, чем температура окружающего воздуха, что приводит к большим тепловым напряжениям, а также к передаче тепла во внутреннее пространство.

Солнечная энергия и проектирование зданий

Основная статья: Проект пассивного солнечного здания

Солнечная энергия может иметь как положительные, так и отрицательные последствия в зависимости от климата. В контексте проектирования пассивных солнечных зданий целью проектировщика обычно является максимизация солнечной энергии внутри здания зимой (чтобы снизить потребность в отоплении помещений ) и контролировать ее летом (чтобы минимизировать требования к охлаждению). Термальную массу можно использовать для выравнивания колебаний в течение дня и в некоторой степени между днями.

Контроль солнечной энергии

Неконтролируемое усиление солнечной энергии нежелательно в жарком климате из-за возможности перегрева помещения. Чтобы свести это к минимуму и снизить холодильную нагрузку, существует несколько технологий снижения солнечной энергии. На SHGC влияет цвет или оттенок стекла и степень его отражательной способности . Отражательную способность можно изменить путем нанесения на поверхность стекла отражающих оксидов металлов. Покрытие с низкой излучательной способностью — еще один недавно разработанный вариант, который обеспечивает большую специфичность в отношении отраженных и переизлучаемых длин волн. Это позволяет стеклу блокировать преимущественно коротковолновое инфракрасное излучение без значительного снижения коэффициента пропускания видимого света .

В климатически ориентированных конструкциях для холодного и смешанного климата окна обычно имеют такой размер и расположение, чтобы обеспечить приток солнечного тепла во время отопительного сезона. 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 увеличением количества стекол, используемых в окне. Например, в окнах с тройным остеклением SHGC обычно находится в диапазоне 0,33–0,47. Для стеклопакетов SHGC чаще находится в пределах 0,42 – 0,55.

Различные типы стекла могут использоваться для увеличения или уменьшения притока солнечного тепла через оконные проемы, но их также можно более точно настроить за счет правильной ориентации окон и добавления затеняющих устройств, таких как свесы , жалюзи , ребра, веранды и другие. архитектурные элементы затенения.

Пассивное солнечное отопление

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

В системах прямого солнечного усиления составом и покрытием остекления зданий также можно манипулировать для увеличения парникового эффекта за счет оптимизации их радиационных свойств, а их размер, положение и затенение можно использовать для оптимизации солнечного усиления. 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 экватор, с высоким уровнем SHGC и свесами, которые блокируют солнечный свет в летние месяцы и позволяют ему проникать в окно зимой. Помещенные на пути доступного солнечного света элементы с высокой тепловой массой, такие как бетонные плиты или стены из тромбов, накапливают большое количество солнечной радиации в течение дня и медленно выделяют ее в пространство в течение ночи. При правильном проектировании это может модулировать колебания температуры. Некоторые из текущих исследований в этой предметной области направлены на поиск компромисса между непрозрачной тепловой массой для хранения и прозрачным остеклением для сбора за счет использования прозрачных материалов с фазовым переходом, которые одновременно пропускают свет и сохраняют энергию без необходимости увеличения веса.

См. также

• Двустенный фасад
• Градусный день отопления
• Изолированное остекление
• Низкоэмиссионные покрытия