Большая часть энергии, которую мы получаем от солнца, поступает в виде коротковолнового излучения. Когда это излучение падает на поверхность твердого или жидкого тела, поглощается и преобразуется в тепловую энергию, тело нагревается и отдает часть энергии окружающей среде (воздуху, воде, другим твердым и жидким телам) и вторично излучает его на другие тела, имеющие более низкую температуру.
Стекло, легко пропуская коротковолновое излучение, является плохим проводником длинноволнового излучения. После того как энергия солнца проникла через стекло и была поглощена каким-либо телом, находящимся за ним, тепловая энергия путем излучения передается наружу значительно хуже. Следовательно, стекло работает как тепловая ловушка. Это явление известно под названием «парниковый эффект». Именно на парниковом эффекте основан принцип действия большинства установок, аккумулирующих солнечное излучение и преобразующих его в тепло.
Пассивная система солнечного отопления (ПСО) — это энергетическая система, в которой процессы приема, накопления и использования солнечной энергии для отопления осуществляются естественным путем в архитектурно-строительных элементах здания. Эти элементы являются органичными компонентами здания в отличие от активных систем, в которых используются узкофункциональные приборы.
Основные особенности пассивных систем солнечного отопления:
- Использование самопроизвольных физических процессов для преобразования солнечной энергии в энергию отопления;
- Отсутствие механических или других внешних приводов для осуществления теплообмена в системе (в частности, циркуляционных насосов);
- Совмещение в одних и тех же элементах здания конструктивных, ограждающих и теплогенерирующих функций.
Наиболее простым примером ПСО является система прямого нагрева. Солнечные лучи проникают в помещение через окно, солнечная радиация поглощается внутренними поверхностями помещения и накапливается элементами здания. Накопленное тепло затем постепенно отдается этими элементами уже после того, как солнце перестает нагревать помещение. Для приема солнечной энергии используются обычные элементы здания, например, окна бокового и верхнебокового освещения, расположенные на южном фасаде, фонари верхнего света. Для снижения теплопотерь через остекление в ночное время и в пасмурную погоду могут применяться различные способы теплозащиты.
Предположим, что на каждый квадратный метр окна ежедневно поступает около 10000 кДж тепла. Если окно имеет двойное остекление, то можно считать, что в помещение поступит около 8000 кДж. Если средняя температура наружного воздуха составляет около 200С, то потери тепла за сутки составят около 4200 кДж. Чистое поступление тепла будет равно примерно 3700 кДж. Окно в качестве солнечного коллектора имеет КПД примерно 37 % (3700:10000).
Любая система солнечного отопления имеет три основные функции:
– поглощении и превращение солнечной радиации в теплоту;
– аккумулирование теплоты, поскольку солнечная радиация не постоянна;
– распределения теплоты т. е. подача тепловой энергии в зоны отопления в периоде, когда это необходимо в требуемом количестве.
В пассивных солнечных системах все три функции осуществляется спонтанно, путем протекание естественных процессов, без принудительного изменения энергетических потоков.
В пассивных системах могут использоваться различные трансформируемые элементы: скользящие и сворачиваемые шторы, солнцезащитные, в том числе теплоизолированные, экраны, регулируемые клапаны, увлажнители воздуха и. т.д.
Выбор этих элементов и их соотношение во многом зависит от назначения здания. Здания, используемые только днем, например школы, учреждения, требуют мгновенного поступления теплоты и меньшего ее аккумулирования, а жилые здания — наоборот.
Рациональное использование этих элементов позволяют обеспечить 75 % отопления путем использования пассивной системы солнечной энергии.
Преимуществом пассивных систем солнечного отопления является то, что преобразование энергии солнечного излучения в тепловую происходит внутри отапливаемых помещений, т. е. после поступления солнечного излучения в помещение через светопроемы [1]. Следовательно, тепловые потери с поверхности совмещенного коллектора-аккумулятора системы, установленного около вертикального светопроема с внутренней стороны, конвекцией и излучением (составляющие до 50 % падающего излучения) передаются в отапливаемое помещение как полезная энергия.
Источниками тепловой энергии в пассивных системах являются непосредственно входящие в отапливаемое помещение через его вертикальный ориентированный на юг светопроема суммарное (прямое и рассеянное) солнечное излучение.
Количество теплоты для покрывание тепловой нагрузки здания, определяется из уравнения,
(1)
где 
- тепловые потери через ограждающие конструкции, 
-расход тепла на нагрев инфильтрационного воздуха, 
- внутреннее тепло выделения (технологические и бытовые), 
-непосредственно входящее в отапливаемое помещение через его вертикальный ориентированный на юг светопроем суммарное (прямое и рассеянное) солнечное излучение.
Принцип действия пассивных систем солнечного отопления, как следует из названия, основан на непосредственные поступление суммарного (прямого и рассеянного) солнечного излучения в отапливаемые помещения через их вертикальные ориентированные на юг светопроемы [2, 3]. Если тепловые потери через светопроем отнести к общем теплопотерям отапливаемого помещения, тепловая эффективность пассивных систем солнечного отопления (
)может быть представлен как отношение потока суммарного солнечного излучения, прошедшего через светопроем в отапливаемое помещение 
, к потоку суммарного солнечного излучения, падающего к площади фронтальной поверхности рассматриваемого светопроема 
, т. е.
(2)
Значения 
и 
в отношении (2), как правило, складываются из прямой (
,
), рассеянной (
,
) и отраженной от окружающих предметов (
,
) составляющих, т. е.
;(3)
. (4)
С учетом вертикальности расположения светопроема, имеющего площадь фронтальной поверхности Fп, выражения для определения 
, 
и 
могут быть записаны в виде [4]
,(5)
,(6)
,(7)
где 
- интегральный коэффициент отражения суммарного солнечного излучения от окружающих предметов; 
- поверхностная плотность потока прямого солнечного излучения на нормальную к солнечным лучам плоскость; 
-угол падения прямого солнечного излучения на горизонтальную поверхность; 
- угол падения прямого солнечного излучения на вертикальную поверхность; 
- поверхностная плотность потока рассеянного солнечного излучения на горизонтальную поверхность.
Значения , и в (4) с учетом коэффициента вхождения прямого (
), рассеянного и отраженного (
) солнечного излучения через светопроем, могут быть определены из выражений
; (8)
; (9)
.(10)
Как уже отмечено выше, эффективность пассивных систем солнечного отопления практически полностью зависит от степени оптимизированности компоновки и совмещения функций основных элементов, участвующих в восприятии, преобразовании и транспортировки тепла солнечного излучения, т. е. совокупности конструктивных решений.
Литература:
- Дусяров А. С., Авезов Р. Р., Авезова Н. Р. Дневной ход тепловой эффективности пассивных систем солнечного отопления, снабженных плоскими рефлекторами. // Гелиотехника, 2001. № 3. С.60–65.
- Авезов Р. Р., Орлов А. Ю. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения.- Ташкент: Фан, 1988.-288с.
- Дусяров А. С. Тепловая эффективность инсоляционных пассивных систем солнечного отопления // Гелиотехника, 2001. № 4. С.32–36.
- Даффи Дж.А., Бекман У. А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. М.: Мир, 1977. 420с.
