СЛЪНЧЕВА АРХИТЕКТУРА. ЖИЛИЩЕ И ЕНЕРГИЯ

Слънчева архитектура.

Жилище и енергия

1.    Теория

Жилището е преграда, предназначена да промени температурата на околната среда преди тя да достигне до обитателите му. Температурата навън винаги е различна от тази, която обитателите желаят да се поддържа (около 20^oC) в помещенията.

         Максималното използване на енергията, независимо от това дали тя е слънчева от друг вид, може да се постигне, възползвайки се от  предимствата и недостатъците на сградата, ограничаване на превръщанията на енергия от един вид в друг, подобряване на изолацията и контролирана вентилация на помещенията с използване на отрадната топлина.

На фиг.1а е показана ниско енергийна къща с начина на изпълнение на изолацията под покрива, фиг.1б и на носещите стени, фиг.1в.

На фиг.1г е дадено изпълнението на външните стени с помощта на прозрачна топлинна изолация и ролетка защитаваща жилището през лятото от високи температури, а през зимата прозрачната топлинна изолация осигурява акумулиране на топлина в стените и топлоотдаване към вътрешността на сградата, което личи от разпределението на температурата през прозрачната изолация, стената и вътрешността на сградата.

        На фиг.2а е показан разрез на изолиран прозорец с двойно остъкляване и селективен отражателен слой, намаляващ загубите от излъчване на инфрачервеното лъчение от вътрешността на затопленото помещение .

          На фиг.2б е направено сравнение на инвестиционните разходи за обикновен (1), двоен (2) и остъкляване с изолация (3) и съответните разходи за отопление (в тъмно).

             Вентилация.

 Контролираното проветряване и вентилация е дадено на фиг.3а, без използване на отпадна топлина и използването и (фиг.3б).

Съществува голямо разнообразие от жилищни сгради от гледна точка на използваните материали, конструкция, архитектурни решения, технология на изграждане и изпълнение, поради което загубите на мощност през стените, вратите и прозорците са в широк диапазон.

Разликата между вътрешната и външната температури за дадена сграда обуславя загуби на енергия и мощност изразявана с величината W/m^2oC и зависеща от топлопроводността W/m^oC на стените и дограмата. Така, например, загубата на мощност през единичен прозорец е около 5,6W/m^2oC

     При двоен прозорец, в зависимост от изпълнението загубите са от 5,6 до 2,8 W/m^2oC, а за стени загубите са:

·         за стара сграда по стандарт загубите са 1 W/m^2oC;

·         стена с добра изолация  - 0,7 W/m^2оC;

·         добре изолиран под – 0,76 W/m^2o C.

Средната стойност на загубите за добре изолирани стени и прозорци е 1 W/m^2oC спрямо подовата площ.

Сега съществуват строителни изолации, които намаляват посочените стандартни норми няколко пъти.

С тези данни всеки може да оцени състоянието на изолацията на собственото си жилище или да направи изчисление за бъдещ строеж, в който да се създаде приятна и уютна атмосфера. Естественият въздухообмен в  помещенията, в нормални условия е веднъж на час. В ниските сгради, въздухообменът е два пъти по-малък от този с нормална височина. Обмяната на въздуха е съпроводена с значителна загуба на енергия.

В помещения с височина 2,8m, загубите при обмяна на въздуха веднъж на час са 0,93W/m^2oC за всеки квадратен метър от пода. За самостоятелна къща с добра изолация загубата на мощност е около 2,15W/m^2oC през стените и таваните и 1,86W/m^2oC при проветряване два пъти в час; за площ един квадратен метър от пода или общо 4W/m^2oC. При недобра изолация, загубата на мощност може да достигне 8W/m^2oC и повече до 100W/m².

Ясно е, че върху топлинния баланс, влиянието на загубите през стени, тавани и от проветряване е значително.

      При оценка на топлинния баланс на дадено жилище, освен обичайните източници на енергия и пасивното и активното използване на слънчевата енергия, трябва да се отчитат и допълнителните източници на енергия. Такива източници са: човешкото тяло, осветителните тела, използваната топла вода, телевизори, електродомакински уреди, готварска печка.

      От допълните източници на енергия може, например, да се получат следните количества енергии:

- от четирима обитатели с престой в жилището по 16 часа                                 – 4800Wh

- от осветителни тела с мощност 300 W работещи средно по 6 часа                   –1800Wh

- от други източници, например от използваната топла вода                              –5000Wh

- от телевизор (стар) и други                                                                                   – 1800Wh

- от електроуреди (фризери, хладилници) и други с обща мощност 250W за 24ч. – 6000Wh

- от готварска печка                                                                                                  – 4600Wh

- от пасивна слънчева енергия със средна мощност 100 W/m² през остъклени прозорци 10 m², поглъщана 12 часа                                                                                                  – 12000Wh

ОБЩО: 36000Wh

      Количеството енергия 36 kWh отделено в продължение на 24 часа е еквивалентно на постоянно включена мощност от 1,5kW. За по-подробно изчисление на загубите и на допълнителния приход на топлина е необходимо да са известни топлотехническите характеристики на жилището. Изчислявайки загубите за всеки месец от годината се съставя общият му енергиен баланс.

      За постигане на добри резултати, при създаване на уют в жилището е необходим подходящ избор на изолацията, на проветряването, отчитане на всички енергийни източници, а за максималното усвояване на слънчевата енергия трябва да се държи сметка за:

·         формата на сградата – кръгла или правоъгълна;

·         цвета на външните стени (черен, остъкляване);

·         за топлинният капацитет на сградата;

·         топлинната изолация и насочване на слънчевите лъчи към сградата;

·         вътрешното подреждане на помещенията.

ЕНЕРГИЯ НА ВЪЛНИТЕ

ЕНЕРГИЯ НА ВЪЛНИТЕ

1. ВЪВЕДЕНИЕ.

Мощността, пренасяна от вълните в дълбоки води е пропорционална на квадрата на амплитудата и периода. Поради това най-голям интерес представляват дълговълновите вълни   с голяма амплитуда  . Те позволяват да се отнема от единица дължина на гребена средно 50÷70 kW/m.

Развитието на вълновата енергетика е свързано със значителни трудности, основните от които са:

1.    Вълните са нерегулярни по амплитуда, фаза и посока на движение. Конструирането на устройство за ефективно извличане на енергия при широк диапазон на вариране на величините е трудно.

2.    Винаги съществува вероятност от възникване на екстремални щормове и урагани с образуване на вълни с висока интензивност. Конструкциите на вълновите енергийни установки трябва да устояват при тези условия. Обикновено веднаж на 50 години възникват вълни с амплитуда, която превишава 10 пъти средната. Те създават 100 пъти по-високи натоварвания на конструкциите, които трябва да ги издържат.

3.    Пиковите стойности на мощността са присъщи на вълните в дълбоки води, идващи от открито море. Поради това възникват трудности по създаването на устройства за такива режими, обслужването им, стабилизацията в зададено положение, предаването на енергията на брега.

4.    Обикновено периодът на вълните е   s, т.е. честота  Hz. Достатъчно трудно е да се приспособи това нерегулярно бавно движение към генериране на електроенергия с промишлена честота (500 пъти по-висока).

5.    Изборът на устройство за преобразуване на енергията на вълните от всички съществуващи съоръжения е сложна, понякога непосилна задача.

6.    Психологичният фактор да се мисли за “голямата” енергетика на промишлено развитите райони води до създаването само на големи вълнови електростанции в места с високи вълнови потенциали. Съществуват тенденции да се игнорират зоните с умерен потенциал, където често се оказва икономически изгодно използуването на вълновата енергия.

Предимствата на вълновата енергия са:

-         достатъчно голяма концентрация;

-         достъпна за преобразуване;

-         прогнозируема в зависимост от климатичните условия;

-         запазване на потенциала при разпространение на големи разстояния – големите вълни по бреговете на Европа се зараждат в центъра на Атлантическия океан и дори в Карибския залив.

2. УСТРОЙСТВА ЗА ПРЕОБРАЗУВАНЕ НА ЕНЕРГИЯТА НА ВЪЛНИТЕ.

Едновременно с изменение на нивото и наклона на повърхността на вълната се изменя кинетичната и потенциалната енергия и налягането под вълната. Устройствата, преобразуващи енергията на вълните, са разнообразни в съответствие с характерните величини, които определят работата им.

                  2.1. Устройства, следящи профила на вълната.

Устройството, разработено от Стефан Солтер от Единбургския университет, е наречено “патица” (фиг.1). Формата му осигурява максимално ефективно извличане на енергия от вълната, която навлиза от лявата страна и предизвиква колебателно движение. Цилиндричната противоположна страна осигурява липсата на вълна вдясно при колебания на патицата около оста О. Мощността се отнема от оста на колебателната система при условия на минимално отражение. Отражението и пропускането на енергия са незначителни (5%) и поради това устройството е с висока ефективност в широк диапазон на честотата на вълните (фиг.2). Развитието на тази конструкция е в посока на повишаване на ударната устойчивост и създаване на закотвена гирлянда от преобразователи като гъвкава линия. Предполагаемият размер на реалното устройство е 0,1.λ, което съответствува на 10 m за атлантически вълни от 100 m. Верига от “патици” с дължина няколко километра при установяване в подходящ район може да осигури обща мощност 100 MW.  

Фиг. 1 Патица на Солтер

             2.2. Колебателен воден стълб.

При постъпване на вълната върху частично потопената куха кула (фиг.3), отворена под водата, стълбът течност в кухината се разколебава, предизвиквайки изменение на налягянето на газа над течността. Кухината може да бъде свързана с атмосферата чрез турбина. Потокът може да се регулира така, че да преминава през турбината в една и съща посока или да се използува подходяща турбина (напр. на Уелс). 

Принципът на действие на същото устройство е показан на фиг.4. Основно предимство на такава конструкция е възможността да се регулира скоростта на въздуха и чрез дифузора да се повиши. Така се съчетава бавното движение на вълната с изискването за висока скорост на въртене на турбината и генератора. Освен това се отделя генераторът от зоната на действие на солената вода.

 2.3. Подводни устройства.

Предимствата на подводните устройства са във възможността да се избягнат щормовете и свързаните с тях механични проблеми.

 2.4. Системи с улавяне на вълните.

Схемите на тези устройства използуват явление, наблюдавано в природните лагуни. Вълната се разбива в пясъчния откос и водата се издига на височина, превишаваща средното морско ниво и запълва басейна. Водата може да се върне обратно през водна турбина. На фиг.5 е показана схема на електроцентрала за о-в Мавриций с мощност 20 MW. При специфична мощност 22 kW/m ефективността на такова устройство е над 30%. Необходимата дължина на преградата е 5 km.