Введение
Использование аккумулирования тепловой энергии в проектировании зданий
В проектировании зданий тепловая масса – это свойство массы здания, позволяющее ему накапливать тепло и обеспечивать инерцию против колебаний температуры. Это также известно как эффект теплового маховика. Тепловую массу тяжелых конструктивных элементов можно спроектировать таким образом, чтобы она работала совместно с компонентами конструкции, обладающими меньшим термическим сопротивлением, для создания энергоэффективных зданий. Например, при колебаниях наружной температуры в течение дня большая тепловая масса в изолированной части дома может сглаживать суточные колебания температуры, поскольку она поглощает тепловую энергию, когда температура окружающей среды выше температуры массы, и отдает тепловую энергию, когда температура окружающей среды ниже, не достигая теплового равновесия. Это отличается от теплоизоляционных свойств материала, которые снижают теплопроводность здания, позволяя ему нагреваться или охлаждаться относительно независимо от внешней среды или просто дольше сохранять тепло, выделяемое находящимися в нем людьми. С научной точки зрения, тепловая масса эквивалентна теплоемкости, то есть способности тела накапливать тепловую энергию. Обычно она обозначается символом Cth, а ее единица измерения в системе СИ – Дж/К или Дж/°C (эквивалентные значения). Тепловая масса также может применяться к водным объектам, машинам или их частям, живым организмам или любым другим структурам и телам в инженерии или биологии. В этих контекстах обычно используется термин "теплоемкость".
Тепловая масса в зданиях
Термомасса эффективно повышает комфорт в зданиях в любом месте, где наблюдаются суточные колебания температуры – как зимой, так и летом. При правильном применении и в сочетании с принципами пассивного солнечного проектирования, термомасса может играть важную роль в существенном снижении энергопотребления активных систем отопления и охлаждения. Использование материалов с высокой теплоемкостью наиболее эффективно в регионах с большой разницей между дневной и ночной температурой (или когда ночная температура как минимум на 10 градусов ниже заданной на термостате). Термины "тяжелый вес" и "легкий вес" часто используются для описания зданий, использующих различные стратегии термомассы, и влияют на выбор численных коэффициентов, применяемых в последующих расчетах для определения их тепловой реакции на нагрев и охлаждение. В инженерии зданий использование программного обеспечения для динамического моделирования позволяет точно рассчитывать параметры микроклимата в зданиях с различной конструкцией и для различных климатических данных за год. Это дает возможность архитекторам и инженерам детально изучить взаимосвязь между конструкциями "тяжелого" и "легкого" типа, а также уровнями теплоизоляции, в целях снижения энергопотребления механических систем отопления или охлаждения, или даже полного отказа от них.
Использование тепловой массы в различных климатических условиях
Правильное использование и применение тепловой массы зависит от климатических условий в данной местности.
Тепловая масса, подверженная воздействию солнца
Тепловая масса идеально размещается внутри здания и располагается там, где она все еще может подвергаться воздействию низкого угла зимнего солнечного света (через окна), но при этом изолирована от потерь тепла. Летом та же тепловая масса должна быть защищена от солнечного света под более высоким углом, чтобы предотвратить перегрев конструкции. Тепловая масса нагревается пассивно солнцем или дополнительно внутренними системами отопления в течение дня. Тепловая энергия, накопленная в массе, затем высвобождается обратно в помещение ночью. Важно использовать ее в сочетании со стандартными принципами пассивного солнечного проектирования. Можно использовать любую форму тепловой массы. Одним из простых решений является фундамент из бетонной плиты, оставленный открытым или покрытый проводящими материалами, например, плиткой. Другой новый метод – разместить каменный фасад каркасного дома внутри («обратная кирпичная кладка»). В этой ситуации тепловая масса наиболее эффективна при применении на большой площади, а не в больших объемах или толщинах. 7,5–10 см (3–4 дюйма) часто бывает достаточно. Поскольку самым важным источником тепловой энергии является Солнце, отношение площади остекления к тепловой массе является важным фактором, который следует учитывать. Для определения этого соотношения разработано несколько формул. Как общее правило, дополнительная тепловая масса, подвергающаяся солнечному воздействию, должна применяться в соотношении от 6:1 до 8:1 к любой площади остекления, ориентированной на солнце (северной в Южном полушарии или южной в Северном полушарии), превышающей 7% от общей площади пола. Например, для дома площадью 200 м² с 20 м² остекления, ориентированного на солнце, остекление составляет 10% от общей площади пола; 6 м² этого остекления потребуют дополнительной тепловой массы. Следовательно, используя соотношение 6:1–8:1, требуется дополнительно 36–48 м² тепловой массы, подвергающейся солнечному воздействию. Точные требования варьируются в зависимости от климата.
Термическая масса для ограничения перегрева в летнее время
Термомасса оптимально размещается внутри здания, где она защищена от прямого солнечного излучения, но доступна для людей, находящихся в здании. Поэтому она наиболее часто встречается в виде массивных бетонных перекрытий в зданиях с естественной или низкоэнергетической механической вентиляцией, где нижняя поверхность бетона остается открытой для помещения. В течение дня тепло поступает от солнца, находящихся в здании людей, а также от электрического освещения и оборудования, что приводит к повышению температуры воздуха в помещении. Однако это тепло поглощается открытым бетонным перекрытием, тем самым ограничивая повышение температуры в помещении до комфортного для человека уровня. Кроме того, более низкая температура поверхности бетонного перекрытия поглощает тепловое излучение непосредственно от людей, также улучшая их тепловой комфорт. К концу дня перекрытие нагревается, и, поскольку внешняя температура снижается, тепло может отдаваться, а перекрытие остывает, готовясь к следующему дню. Однако этот процесс "регенерации" эффективен только при работе вентиляционной системы здания в ночное время для отвода тепла от перекрытия. В зданиях с естественной вентиляцией обычно предусматривается автоматическое открытие окон для автоматизации этого процесса.
Горячий, засушливый климат (например, пустыня)
Это классическое применение тепловой массы. Примеры включают дома из саманного кирпича, утрамбованной земли или известняковых блоков. Его эффективность сильно зависит от значительных суточных колебаний температуры. Стены в основном замедляют передачу тепла извне внутрь в течение дня. Высокая объемная теплоемкость и толщина препятствуют проникновению тепловой энергии к внутренней поверхности. Когда ночью температура падает, стены переизлучают накопленную тепловую энергию в ночное небо. В этом случае важно, чтобы такие стены были массивными, чтобы предотвратить передачу тепла внутрь помещения.
Горячий влажный климат (например, субтропический и тропический)
Использование тепловой массы наиболее затруднительно в этих условиях, где ночные температуры остаются высокими. Оно применяется главным образом как временный поглотитель тепла. Однако, необходимо стратегически выбирать место для его размещения, чтобы избежать перегрева. Его следует располагать в зоне, не подверженной прямому солнечному воздействию, и обеспечивать достаточную вентиляцию ночью для отвода накопленной энергии, не допуская дальнейшего повышения внутренней температуры. Если его вообще использовать, то следует делать это умеренно и не в больших объемах.
Сезонное хранение энергии
Если использовать достаточное количество массы, это может дать сезонное преимущество, то есть обеспечивать обогрев зимой и охлаждение летом. Это иногда называют пассивным годовым накоплением тепла, или PAHS. Система PAHS успешно применялась на высоте 7000 футов в Колорадо и в ряде домов в Монтане. Дома-землеходы в Нью-Мексико используют пассивное отопление и охлаждение, а также переработанные шины для возведения фундаментных стен, что обеспечивает максимальный эффект PAHS/STES. Эта технология также успешно применялась в Великобритании в рамках проекта Hockerton Housing Project.