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

Солнечное усиление (также известен как получение солнечного тепла или же пассивное солнечное усиление) - это увеличение тепловой энергии пространства, объекта или конструкции по мере поглощения падающей солнечная радиация. Количество солнечной энергии, получаемой в космосе, является функцией общего количества падающих солнечных лучей. сияние и способность любого промежуточного материала к передавать или противостоять радиации.

Объекты, пораженные солнечным светом, поглощают его видимые и коротковолновые инфракрасные компоненты, повышают температуру, а затем повторно излучают это тепло на более длительное время. инфракрасный длины 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 посредством явления, известного как парниковый эффект. В зданиях чрезмерное солнечное излучение может привести к перегреву помещения, но оно также может использоваться как стратегия пассивного обогрева, когда требуется тепло.

Окно свойств солнечного усиления

Солнечная энергия чаще всего рассматривается при проектировании 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 )^[1] и Национальный Рейтинговый Совет Фенестрации (NRFC)^[2] поддерживать стандарты для расчета и измерения этих значений.

Коэффициент затенения

В коэффициент затемнения (SC) является мерой радиационных тепловых характеристик стекло блок (панель или окно) в строительство. 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).^[2] 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 как энергию, которая передается непосредственно через стекло, так и энергию, которая поглощается стеклом и рамой и повторно излучается в пространство, и определяется следующим уравнением:^[3]

${displaystyle F (лямбда, heta) = T (лямбда, heta) + N * A (лямбда, heta)}$

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:

${displaystyle S.C. = F (лямбда, гетта) _ {1} / F (лямбда, гетта) _ {o}}$

Коэффициент затемнения зависит от радиационные свойства оконной сборки. Эти свойства являются пропускающая способность "Т", поглощающая способность "А", излучательная способность (которая равна поглощающей способности для любой данной длины волны), и отражательная способность все это безразмерные величины, сумма которых в сумме равна 1.^[3] Такие факторы, как цвет Покрытия, оттенки и отражающие покрытия влияют на эти свойства, что и привело к разработке коэффициента затемнения в качестве поправочного коэффициента для его учета. Таблица коэффициентов увеличения солнечного тепла по ASHRAE^[1] обеспечивает ожидаемый приток солнечного тепла для прозрачного флоат-стекла толщиной ⅛ дюйма на разных широтах, ориентациях и в разное время, которое можно умножить на коэффициент затемнения для корректировки различий в радиационных свойствах. Значение коэффициента затемнения варьируется от 0 до 1. чем ниже рейтинг, тем меньше солнечного тепла пропускается через стекло и тем выше его затеняющая способность.

Помимо свойств стекла, в расчет SC также включаются затеняющие устройства, встроенные в оконный блок. Такие устройства могут снижать коэффициент затемнения, блокируя части остекления непрозрачным или полупрозрачным материалом, тем самым снижая общую проницаемость.^[4]

Методы оформления окон отошли от коэффициента затенения в сторону Коэффициент увеличения солнечного тепла (SHGC), который определяется как доля падающего солнечного излучения, которая фактически попадает в здание через всю оконную сборку 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.^[3] Хотя коэффициент затенения все еще упоминается в документации производителя и в некоторых отраслевых компьютерных программах,^[5] он больше не упоминается как опция в отраслевых текстах^[1] или строительные нормы и правила.^[6] 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.^[7]

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.^[2]

G-значение

G-value (иногда также называемый 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.^[8]

Коэффициент увеличения солнечного тепла (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 (если есть), разделенных тонких решеток (если есть) и экранов (если есть).^[2] Коэффициент пропускания каждого компонента рассчитывается аналогично коэффициенту затемнения. Однако, в отличие от коэффициента затенения, общее солнечное усиление рассчитывается для каждой длины волны, где непосредственно передаваемая часть коэффициента солнечного прироста тепла определяется как:^[3]

${displaystyle T = int limits _ {350 нм} ^ {3500 нм} T (лямбда) E (лямбда) лямбда}$

Здесь ${displaystyle T (лямбда)}$ - спектральный коэффициент пропускания на данной длине волны в нанометрах и ${displaystyle E (лямбда)}$ - падающая солнечная спектральная освещенность. При интегрировании по длинам волн солнечного коротковолнового излучения он дает общую долю переданной солнечной энергии по всем длинам солнечных волн. Продукт ${displaystyle N * A (лямбда, гетта)}$ Таким образом, это часть поглощенной и повторно испускаемой 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.^[2]

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 описывают процедуру проверки и расчета SHGC.^[9] Для динамического фенестрирования или работающего 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.^[4]

Коэффициент усиления солнечной энергии в непрозрачных компонентах здания

Помимо окон, стены и крыши также служат путями для получения солнечной энергии. В этих компонентах теплопередача полностью обеспечивается 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.^[10] 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.^[4]

Солнечная энергия и проектирование зданий

Солнечная энергия может иметь как положительные, так и отрицательные эффекты в зависимости от климата. В контексте проектирования зданий с пассивной солнечной энергией целью проектировщика обычно является максимальное увеличение солнечной энергии внутри здания зимой (для уменьшения отопление помещений спрос), и контролировать его летом (чтобы минимизировать потребности в охлаждении). Термическая масса может использоваться для выравнивания колебаний в течение дня и, в некоторой степени, между днями.

Контроль солнечного усиления

Неконтролируемое солнечное излучение 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. SHGC зависит от цвета или оттенка стекла и степени его отражательная способность. Отражательная способность может быть изменена путем нанесения на поверхность стекла отражающих оксидов металлов. Низкая излучательная способность Покрытие - 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 видимый коэффициент пропускания.^[2]

В адаптивном к климату дизайне для холодный и смешанный климат окна обычно имеют такие размеры и расположение, чтобы обеспечить приток солнечного 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 окна с тройным остеклением, SHGC находится в диапазоне 0,33 - 0,47. За окна с двойным остеклением 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 свесы, жалюзи, плавники, 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 накапливают тепло непосредственно в конструкциях и отделках занимаемого пространства.^[11]

В системах с прямым солнечным усилением состав и покрытие остекления здания также можно изменять для увеличения парникового эффекта путем 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 тромба хранить большое количество солнечной радиации в течение дня и медленно выпускать ее в пространство в течение ночи.^[12] 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.^[13]