Переход к насосам: как Финляндия нашла решение проблемы отопления домов

Как обогреть дома и рабочие места, не полагаясь на ископаемое топливо, — одна из самых сложных задач для быстрого перехода к безуглеродной экономике. В Европейском союзе (ЕС) сектор отопления является наиболее энергоемким и углеродоемким, на него приходится почти 50% общего спроса на энергию в ЕС, 75% которого удовлетворяется за счет сжигания ископаемого топлива. В 2017 году во всем мире только 10% потребности в тепле удовлетворялось за счет источников возобновляемой энергии. Но, поскольку Великобритания заявляет о намерении отказаться от бытовых газовых котлов, в холодной Скандинавии Финляндия продемонстрировала исключительный потенциал одной из менее заметных технологий использования возобновляемых источников энергии — тепловых насосов.

Индивидуальные домохозяева заранее определили пригодность этой технологии и начали учиться друг у друга. Когда государственное регулирование догнало эту технологию и начало поддерживать ее с помощью законодательства, рынок уже был хорошо развит, а местные инженеры-теплотехники обладали относительно высокой квалификацией. Это иллюстрирует проблему, с которой столкнутся многие другие страны: наличие у инженеров и монтажников достаточных знаний, чтобы сделать возможным быстрый переход на отопление.

Финляндия исторически полагалась на сжигание биомассы и мазута для отопления, будучи страной с относительно небольшим, малонаселенным населением и большими лесами. В 1970, 90% отапливаемых помещений приходилось на древесину и нефть. Однако к 2012 году структура теплоснабжения стала практически неузнаваемой. Централизованное отопление, где тепло передается от централизованного источника через сеть изолированных труб к нескольким зданиям, составляло 40 % от общего объема поставок, при этом электричество обеспечивало 21 %, биомасса 21 %, нефть 11 %, тепловые насосы 6 % и доля газа составляет всего 1%.

Хотя масштабы этого перехода были обусловлены регулированием, отдельные домохозяйства также сыграли ключевую роль. Большая часть огромных инвестиций, вложенных в покупку и установку тепловых насосов в Финляндии, поступила от обычных домовладельцев, использующих свои собственные деньги при ограниченной государственной поддержке или без нее. В начале 19В 90-х годах воздушные тепловые насосы начали внедряться из Швеции, где технология была успешной, а правительство поддерживало рынок. Финская национальная ассоциация тепловых насосов (SULPU) была создана в 1999 году предпринимателем, занимающимся тепловыми насосами, и исследователем тепловых насосов при некоторой поддержке со стороны государственного агентства по энергоэффективности Motiva. Предприниматель стремился к 2020 году продать в Финляндии 1 млн тепловых насосов, но к 2000 году рынок оставался небольшим — около 10–15 перепродавцов тепловых насосов. Им по-прежнему мешало отсутствие обучения, стандартов качества и возможностей технического обслуживания, что удерживало их нишу, несмотря на их пригодность для сельских районов, где люди по-прежнему в значительной степени полагались на нефть.

Тем не менее, органический рост практических знаний с помощью SULPU привел к совершенствованию обучения и стандартов для установок в течение 2000-х годов, что повысило репутацию сектора и привело к увеличению продаж. В Интернете появились онлайн-форумы для обсуждения тепловых насосов под руководством пользователей, где пользователи и установщики обменивались знаниями с большим успехом в атмосфере доверия. Роль этих онлайн-форумов была особенно важна для демонстрации того, что тепловые насосы подходят для использования в холодном климате Финляндии, а также для разработки инноваций под руководством пользователей. В 2009, Финляндия, наконец, была принята в комитет по контролю качества Европейской ассоциации тепловых насосов (EHPA), создав свой собственный национальный комитет по качеству для обеспечения соответствия стандартам. SULPU, которая собирает отраслевую статистику, также используемую национальной статистикой Финляндии, сообщает о стабильном росте продаж из года в год. Согласно данным SULPU, в 2018 году 70% новых небольших домов выбирают тепловой насос, и примерно 5000 масляных котлов ежегодно заменяются тепловым насосом.

Тепловые насосы, которые преобразуют энергию из внешних источников тепла (воздух, вода, геотермальная энергия и т. д.), в последнее десятилетие продемонстрировали особенно сильный рост — они становятся низкоуглеродными, когда энергия, используемая для их привода, получена из возобновляемого источника. . Общая выработка энергии тепловыми насосами в Финляндии в настоящее время составляет около 10 ТВтч, удовлетворяя примерно 15% потребности в отоплении жилого и коммерческого фонда Финляндии. Только в 2018 году продажи выросли на 22%, при этом инвестиции в размере более полумиллиарда евро привели к установке 75 000 тепловых насосов. Это означало, что в стране с населением около 2,7 млн ​​домохозяйств был миллион тепловых насосов. С 2000 года количество энергии, используемой финскими домохозяйствами для отопления, уменьшилось соответственно примерно на 15%.

Более широкая актуальность

Быстрое развертывание и внедрение технологий тепловых насосов в Финляндии представляет особый интерес, поскольку обезуглероживание тепла в зданиях остается сложной проблемой для промышленно развитых стран, без чего достижение нулевых выбросов углерода останется лишь мечтой. С точки зрения отопления (а не просто охлаждения, еще одного энергоемкого действия) эта проблема наиболее ярко выражена в Северной Европе, где сочетание крупных существующих газовых сетей и устаревшего фонда зданий создало ситуацию, требующую значительных инвестиций, планирования и надежных навыков. базу для исправления. На отопление в Великобритании, например, приходится 37% от общего объема выбросов углерода, включая промышленное использование, 17% из которых можно отнести к отоплению и охлаждению в зданиях, а 13-14% – к отоплению в жилых домах. Только 5% домов имеют низкоуглеродное отопление, а в 85% (24,5 миллиона домов) по-прежнему преобладает газ. То же исследование показывает, что 48% выборки опроса утверждают, что они не знали, что их газовый котел имеет экологические издержки. Во всем мире на долю тепловых насосов приходится лишь около 3% отопления зданий, что подчеркивает масштаб проблемы, стоящей перед необходимостью подорвать господство ископаемого топлива в секторе отопления. Пример Финляндии является пророческим, поскольку он показывает, как может происходить развертывание вариантов низкоуглеродного отопления при правильном уровне поощрения, регулирования, финансовых стимулов и фискальной политики.

Многие из низкоуглеродных решений этой проблемы проверены и существуют сегодня, но проблема заключается в их масштабировании и внедрении. Некоторые из этих проблем являются экономическими, например, цены слишком высоки на небольших, менее развитых рынках, чтобы сделать тепловые насосы жизнеспособными. Другие связаны с инфраструктурой, например, в Великобритании, где существующий жилищный фонд настолько неэффективен с точки зрения энергии, что программа массовой модернизации является обязательным условием для установки тепловых насосов. Другие являются историческими, например, доминирование так называемых устаревших видов топлива, таких как природный газ, в таких местах, как Нидерланды. Это множество барьеров подчеркивает необходимость смешанного, гибкого подхода, адаптированного к местным условиям. Строгие нисходящие меры, направленные на обеспечение всеобъемлющего решения, могут в конечном итоге обойтись дороже, чем подходы, учитывающие местные особенности, и фактически могут замедлить переход. Этот аргумент можно применить к Великобритании, где полностью электрический или полностью водородный подход к обезуглероживанию отопления и охлаждения по принципу «сверху вниз» может стоить в два или три с половиной раза соответственно больше, чем локально осознанный подход. , гибкий подход, запланированный по месту. Финляндия представляет собой наглядный пример того, как можно создать зрелые рынки и привлечь значительные местные инвестиции, когда государство играет более стимулирующую роль.

Более широкое значение примера Финляндии заключается в том, что он проливает свет на потенциальную занозу для быстрого перехода в других странах: разрыв в низкоуглеродных навыках. Установка почти миллиона тепловых насосов не выполняется в одночасье или одной компанией — для этого требуется целое созвездие подрядчиков, специалистов и операторов цепочки поставок, которые должны быть выполнены в масштабе. Во многих странах есть реальные опасения, что, несмотря на государственные инвестиции, гранты и стимулы для использования вариантов и технологий с низким уровнем выбросов углерода в свете целей нулевого уровня выбросов, база навыков, необходимых для их фактического выполнения, ограничена. Таким образом, декарбонизация тепла — это гораздо больше, чем просто техническое решение: для этого требуется промышленный и профессиональный подход, который сосредоточен на развитии производственных мощностей, создании базы навыков для установки и создании профессиональной регулируемой отрасли, которая делает выбор в пользу перехода на низкоуглеродное отопление. простой, оптимизированный и доступный.

Контекст и предыстория

Нефтяной кризис 1970-х годов вынудил Финляндию обратить внимание на альтернативные технологии. Из-за долгих и холодных зим потребность Финляндии в отоплении является одной из самых высоких в Европе, что делает задачу обезуглероживания тепла еще более актуальной. Газовая сеть по всей стране также очень ограничена, что делает необходимым использование альтернативных источников отопления жилых помещений. Тепловые насосы устраивали относительно дешевую электроэнергию в стране и отсутствие газовой инфраструктуры для многих изолированных населенных пунктов, но качество в то время было ненадежным, и они оставались нишевой технологией. Рынок начал быстро расширяться только в 2000-х годах, когда законодательные меры по поощрению низкоуглеродных технологий — в частности, посредством ряда постепенных изменений в строительном законодательстве — поддержали рост рынка и уровень опыта, генерируемого равноправным партнером. обучение позволило увеличить скорость установки.

В настоящее время Финляндия поставила перед собой цель достичь углеродной нейтральности к 2035 г. – на 15 лет раньше, чем Великобритания, ЕС и Южная Корея. Это означает, что теперь у него есть благоприятная политическая среда для увеличения масштабов использования тепловых насосов, а также природные ресурсы для этого благодаря своей обильной геотермальной энергии. Между тем, SULPU играл и продолжает играть важную роль в информировании общественности и политиков о преимуществах тепловых насосов, лоббировании, проведении исследований и предоставлении данных для поддержки перехода.

Сегодня тепловые насосы стали основным источником тепла для жилых и коммерческих помещений, чему способствуют доступные цены, новые бизнес-модели, основанные на обслуживании, и налоговые льготы. В 2018 году объем продаж воздушных тепловых насосов достиг 47 000, геотермальных тепловых насосов — 8 000, тепловых насосов типа «воздух-вода» — 4 000, а тепловых насосов на вытяжном воздухе — 3 000. Около 40% жилого фонда Финляндии является отдельно стоящим, что упрощает установку геотермальных тепловых насосов, поскольку снаружи необходимо прокладывать подземные трубы. На отдельные дома приходится 85% непромышленных первичных тепловых насосов в Финляндии, а на геотермальные тепловые насосы — более трети от общего объема. Тепловые насосы обеспечивают отличное средство для управления электросетью на стороне спроса и являются гибкими, способными использовать объемы воды, здания, геотермальные скважины и другие объекты в качестве энергоресурсов. Недавнее исследование показало, что каждый раз, когда в доме, отапливаемом электричеством, устанавливается тепловой насос полной мощности, два дома, отапливаемых нефтью и централизованным отоплением, могут быть отапливаемы за счет сэкономленной мощности и энергии.

Стимулирующие факторы

Ошеломляющая скорость роста количества установок тепловых насосов в Финляндии была обусловлена, в первую очередь, географическими и экологическими обстоятельствами, которые могут способствовать ее дальнейшему расширению. В настоящее время на рынке преобладают воздушные тепловые насосы, но и геотермальные тепловые насосы также играют главную роль: в Финляндии насчитывается более 100 000 геотермальных скважин общей глубиной 20 000 км, что составляет половину земной окружности. Это сделало тепловые насосы привлекательной инвестицией для промышленности, застройщиков и домовладельцев с рентабельностью капитала от 10% до 15%. Электричество также относительно доступно в Финляндии, что делает его разумной альтернативой для тех домовладельцев, которые хотят заменить свое углеродоемкое отопление. Тепловые насосы популярны, потому что занимают мало места и удобны – нет необходимости доливать топливо, как нефть или дрова. Когда дело доходит до отопления жилых помещений и изменения поведения, исследования показывают, что максимальное упрощение варианта с низким уровнем выбросов углерода может увеличить потребление, используя естественную склонность потребителей «плыть по течению».

Надежная политическая среда в стране помогла благодаря ряду мер по повышению энергоэффективности, сокращению выбросов и поддержке строительных норм и правил. Широкий спектр государственной политики, целей и налогов все более стимулировал переход от систем отопления, работающих на ископаемом топливе, к возобновляемым источникам энергии примерно с 2000 г., включая национальные климатические и энергетические стратегии в 2005, 2008, 2013 и 2017 гг. Налогообложение ископаемого топлива утроилось с 2011 г. на мазуте более чем удвоилось в период с 2004 по 2017 год), а Национальный строительный кодекс (SRMK) устанавливает строгие стандарты энергоэффективности, которые включают теплоснабжение здания. С 2014 года тепловые насосы должны быть установлены в каждом новом доме, а государственная субсидия покрывает до 20% расходов на переключение: Кроме того, 45–60% расходов на ремонт, пристройки и установку тепловых насосов составляют налоги. -франшиза. Это также помогло развить навыки зеленого строительства на рынке труда, и в настоящее время в этом секторе занято около 3000 человек. В результате раннего внедрения, взаимного обучения через онлайн-форумы и формирования национальной ассоциации тепловых насосов (SULPU) возник готовый саморазвивающийся рынок, хотя и при благоприятных условиях, созданных правительством. В результате в течение 2000-х годов обучение и стандарты для установок улучшились, что повысило репутацию сектора, увеличило количество собственных инноваций и привело к увеличению продаж. Его глубина и широта ноу-хау затем смогли превратиться в комплексную сеть продуктов и установщиков, охваченную надежной схемой сертификации.

Импульс рынка тепловых насосов в Финляндии в настоящее время создает множество инновационных и прорывных бизнес-моделей, которые, вероятно, еще больше увеличат скорость установки. Например, «модель продажи тепла с тепловым насосом», обычно называемая сервисной моделью, предполагает, что поставщик услуг платит за тепловой насос, а затем предоставляет отопление как услугу. Клиенту ежемесячно выставляется счет за использованную энергию, при этом все обслуживание осуществляется поставщиком услуг. Эта модель особенно хорошо работает в обслуживаемых многоквартирных домах, многоквартирных жилых домах и коммерческих офисных помещениях, где владельцы могут с меньшей вероятностью вкладывать собственные средства.

Сфера охвата и доказательства

• В 1970 году 90% отопления помещений в Финляндии приходилось на древесину и нефть. Страна была вынуждена из-за нефтяного кризиса 1970-х годов сосредоточиться на технологии тепловых насосов, но качество было ненадежным, и они оставались нишевой концепцией.
• В начале 1990-х годов воздушные тепловые насосы начали внедряться из Швеции, где технология была успешной, а правительство поддерживало рынок.
• Финская национальная ассоциация тепловых насосов (SULPU) была создана в 1999 предпринимателем в области тепловых насосов и исследователем тепловых насосов при поддержке государственного агентства по энергоэффективности Motiva, но к 2000 году рынок оставался небольшим, насчитывая всего около 10–15 реселлеров тепловых насосов.
• Рост рынка тепловых насосов в Финляндии начал ускоряться в начале 2000-х годов с введением ряда строительных норм и правил. Изменения в строительных нормах (2003, 2007, 2010, 2012) привели к тому, что строительная отрасль столкнулась со все более высокими требованиями к изоляции и энергоэффективности.
• Регламенты ЕС, такие как Директива об энергоэффективности зданий 2010 г. (EPBD) и Директива об энергоэффективности 2012 г., добавили вес в направлении более высоких строительных стандартов.
• К 2012 году структура теплоснабжения была почти неузнаваема: на централизованное отопление приходилось 40%, на электроэнергию 21%, на биомассу 21%, на мазут 11%, на тепловые насосы 6% и на газ только 1%.
• Только в 2018 году объем продаж увеличился на 22%, при этом инвестиции в размере более полумиллиарда евро привели к установке 75 000 тепловых насосов.
• 2,7 миллиона домохозяйств Финляндии владеют более чем миллионом тепловых насосов.
• С 2000 года потребление тепла финскими домохозяйствами снизилось соответственно примерно на 15%.
• Скидка на налог на установку и информационные меры для поощрения установки различных типов тепловых насосов (2000 г.) – От 45% до 60% затрат на оплату труда при ремонте и расширении жилых помещений не облагаются налогом.
• В настоящее время Финляндия поставила перед собой цель достичь углеродной нейтральности к 2035 году, что на 15 лет раньше, чем у Великобритании, ЕС и Южной Кореи.
• Общая выработка энергии тепловыми насосами в Финляндии в настоящее время составляет около 10 ТВт-ч, удовлетворяя примерно 15% потребности в отоплении жилого и коммерческого фонда Финляндии.
• Исследования показывают, что при первоначальных затратах в размере 3 млрд евро можно установить тепловые насосы в 10 000 дополнительных многоквартирных домов (в которых проживает почти 100 000 финнов), ежегодно добавляя еще 5 ТВтч тепла без выбросов и удаляя несколько миллионов тонн выбросов углерода из углеродного следа страны.

 

Это тематическое исследование было первоначально опубликовано на веб-сайте Nesta здесь.

Насколько солнце нагревает ваш дом?

Расчет и использование пассивной солнечной энергии при проектировании зданий. Здесь, в Marmott

Мотивация

Здесь, в Marmott Energies , мы проектируем системы геотермального отопления для жилых домов. Эти системы состоят из геотермального теплового насоса и «земляного контура». Контур заземления — это просто петля трубы, которая уходит глубоко в землю. Вода в трубе собирает тепло от земли и передает это тепло тепловому насосу. Тепловой насос использует небольшое количество электроэнергии для повышения температуры этого тепла. Затем он передает тепло в ваш дом.

Первым шагом при установке геотермальной системы является определение размеров теплового насоса и контура заземления. Чтобы сделать это, мы должны рассчитать, сколько отопления и охлаждения потребуется дому. Особенно важно, чтобы мы точно выполняли эти расчеты для геотермальной энергии, потому что капитальные затраты на установку составляют основную часть общих затрат на отопление. Это не относится к обычным системам отопления. Если вы устанавливаете газовую или масляную печь, сама печь не будет стоить дорого в течение всего срока ее службы. Основная статья расходов на отопление – это газ или мазут, который сжигается в этой печи. Монтажники могут просто поставить печь с избыточной мощностью, и это не будет стоить заказчикам больших дополнительных денег. Они по-прежнему будут сжигать то же количество газа или нефти, что и в печи меньшего размера. Напротив, в геотермальной системе неправильное определение размера системы имеет большие финансовые последствия.

Смысл существования Marmott заключается в том, чтобы сделать геотермальную энергию более доступной и доступной. Для этого нам нужно убедиться, что геотермальная энергия обеспечивает отличное соотношение цены и качества, и для этого мы должны правильно определить размеры систем. Поэтому мы должны быть в состоянии сделать точные оценки потребностей дома в отоплении и охлаждении.

Расчет солнечной энергии

Требуемая мощность отопления и охлаждения дома зависит от:

• наружной погоды (температуры, влажности, ветра и солнечного света)
• из чего сделан ваш дом и насколько хорошо он загерметизирован
• какая температура и влажность должны быть внутри
• какие еще предметы выделяют тепло в доме (печи, холодильники, люди…)

Одним из самых сложных аспектов расчета является определение того, насколько солнце будет нагревать дом. Независимо от температуры снаружи, если солнце светит в окно, ваш дом будет поглощать тепло от этого солнечного света. Сколько именно тепла будет зависеть от силы солнечного света, от того, как прямо солнце светит на окно, от размера окна и свойства самого окна, называемого коэффициентом солнечного тепла. Коэффициент притока солнечного тепла к окну описывает, какая часть света, попадающего на стекло, проходит через него.

Когда мы смотрим на солнечную энергию здания, нас интересуют два результата:

1. мощность , передаваемая через окна (кВт)   — имеет значение, поскольку наши системы отопления и охлаждения обеспечить определенную мощность. Если зимой в ваш дом через окна попадает 2 кВт солнечного света, то вы можете уменьшить отопление на 2 кВт. Однако, если 2 кВт солнечного света проникают в ваш дом через окна летом, то это 2 кВт дополнительной мощности, которую ваша система кондиционирования воздуха должна удалить.
2. Энергия  , передаваемая через окна (кВтч)   — актуальна, потому что это то, за что мы платим. Энергия – это мощность, умноженная на время. Таким образом, если зимой через окно в течение часа проходит 2 кВт солнечного света, то мы получаем 2 кВт/ч энергии. Это 2 кВтч энергии, за которые нам не нужно платить.

Далее я опишу, как мы рассчитываем солнечную энергию, передаваемую через окна, и общую солнечную энергию, полученную через окна. После того, как я проведу расчеты, я буду использовать полученную модель, чтобы изучить, как лучше спроектировать дом, чтобы использовать эти солнечные лучи и, таким образом, свести к минимуму потребности дома в отоплении и охлаждении. Это называется пассивным солнечным дизайном. Как и геотермальная, это отличный способ обогрева зданий без выбросов парниковых газов.

Если вы хотите прочитать эту статью с кодом, используемым для расчетов, вы можете сделать это  здесь

.

Данные

Солнечная интенсивность

Компания Hydro-Quebec управляет веб-сайтом SIMEB, который предоставляет почасовые данные о погоде для многих городов Квебека. Этот веб-сайт бесценен для нас, потому что он дает нам данные, необходимые для расчета почасовых теплопотерь или прибавки тепла в доме. Одной из частей информации, которую он предоставляет, является интенсивность солнечного излучения, падающего на горизонтальную поверхность. Данные по Монреалю представлены ниже.

На приведенном выше графике видно, что интенсивность солнечного излучения на горизонтальной поверхности высока летом и низка зимой. Это потому, что летом солнце находится выше в небе и светит прямо на землю. Интенсивность солнечного излучения также немного прыгает. Иногда бывает облачно, поэтому облака не дают солнцу падать на пол. В этом масштабе сюжет выглядит почти цельным, потому что каждую ночь радиация, падающая на землю, падает до нуля. Чтобы лучше показать детали, я нарисовал «увеличенную» версию ниже.

Итак, у нас есть данные об интенсивности солнечного света, падающего на горизонтальную поверхность. Мы хотим рассчитать количество солнечной энергии, проходящей через окна. Чтобы добраться туда, нам сначала нужно рассчитать интенсивность солнечного света, падающего на окна. Окна обычно вертикальные, а не горизонтальные. Они также имеют определенную ориентацию в зависимости от того, на какой стороне здания они находятся. Солнце будет падать на разные стороны здания в разное время суток. Чтобы перейти от интенсивности солнечного света, падающего на горизонталь, к интенсивности солнечного света, падающего на окна, нам нужно больше знать о положении на солнце.

Солнечная геометрия

Есть два солнечных угла, которые определяют интенсивность солнечного света, падающего на конкретную поверхность. Первый угол высоты Солнца, θ. Солнечная высота – это угол между солнечными лучами и горизонтальной поверхностью. Это то, насколько вам нужно вытянуть шею, чтобы посмотреть на солнце. Если θ большое, вам придется сильно вытягивать шею. Если θ мало, солнце светит вам в глаза, даже когда вы почти не смотрите вверх. Второй угол — это азимутальный угол, ϕ. Азимутальный угол описывает положение солнца по компасу.

Он определяется по часовой стрелке с юга. В день равноденствия, когда солнце восходит, оно находится на востоке при ϕ = 270 градусов, в солнечный полдень оно находится на юге при ϕ = 0 градусов, а когда заходит, оно находится на западе при ϕ = 9.0 градусов.

 Инструмент положения солнца, разработанный susdesign, показывает почасовую высоту солнца и азимутальные углы для заданного местоположения. Данные о высоте над уровнем моря для Монреаля представлены ниже.

График высоты солнца включает отрицательные высоты солнца, то есть высоты солнца, когда солнце находится ниже горизонта. Как и в случае с интенсивностью солнца, этот график кажется почти сплошным, но это только потому, что солнце поднимается и заходит каждый день. Ниже я нанес высоту солнца в дни весеннего равноденствия, летнего солнцестояния и зимнего солнцестояния, чтобы дать вам более четкое представление о том, как солнце движется на дневном уровне.

Тригонометрия

Теперь, когда у нас есть данные об углах наклона и интенсивности солнца на горизонтальной поверхности, нам нужно объединить их, чтобы рассчитать тепловое воздействие солнца на наше здание.

Окна в виде подсолнуха

Сначала нам нужно рассчитать солнечное излучение, которое вы получите от вертикальной поверхности, обращенной к солнцу. Итак, что-то вертикальное, но вращающееся, как подсолнух, чтобы получить как можно больше солнечных лучей. Мы можем рассчитать эти интенсивности, используя горизонтальные интенсивности и некоторую геометрию 9.0003

На рисунке выше интенсивность I  обозначает «истинную интенсивность» солнечного света. Это интенсивность, которую вы измерили бы, если бы разместили поверхность под прямым углом к ​​солнечным лучам.

Ih  обозначает интенсивность солнечного света, падающего на горизонтальную поверхность, а Iv  обозначает интенсивность солнечного света, падающего на вертикальную поверхность, ориентированную к солнцу. Угол θ  – это высота солнца. Немного геометрии показывает нам, что интенсивность солнечного света, падающего на вертикальную поверхность, ориентированную на солнце ( Iv ), равно интенсивности солнечного света, падающего на горизонтальную поверхность ( Ih ), деленному на tan(θ) :

Iv=Ih/tan(θ)

Я хочу избежать деления на тангенс нуля (который равен нулю), потому что это эквивалентно умножению на бесконечность. Поэтому я установил минимальную высоту, ниже которой я не считаю, что солнце оказывает какое-либо согревающее действие. Когда солнце находится очень низко, очень вероятно, что солнце падает на деревья или другие здания, а не на стены рассматриваемого дома. Я думаю, что разумная минимальная высота составляет 2°. Когда солнце находится на 2 °, что-то высотой 5 м будет иметь тень длиной 143 м. Поэтому вполне вероятно, что большинство окон в этот момент будут в тени. Солнце находится между 0 и 2 ° в течение примерно 15 минут утром и 15 минут вечером. Таким образом, мы не отрезаем очень длительный период времени, даже если конкретное окно не находится в тени.

Ориентация окна

Теперь мы преобразовали наши данные по интенсивности солнца на горизонтальной поверхности в интенсивность солнца на вертикальной поверхности, которая поворачивается лицом к солнцу. Однако окна не поворачиваются к солнцу. Поэтому нам нужно иметь дело с азимутальными углами. Угол, который определяет, какая доля солнца будет падать на каждую стену, представляет собой угол между азимутальным направлением солнца и поверхностью стены. Эти углы отмечены δ на рисунке ниже. Когда угол δ  больше 180 °, это лицо находится в тени, поэтому интенсивность на этом лице = 0. Когда угол  δ  меньше 180 °, некоторые геометрические данные показывают нам, что доля солнечного света, падающего прямо на на конкретную стену = доля солнечного света, падающего на вертикальную поверхность, умноженная на синус δ . Итак, если мы назовем интенсивность падения солнца на Стену 1  I1 , тогда:

I1=Iv∗sin(δ1) .

Собираем вместе

Сочетание влияния высоты и азимута дает нам коэффициент преобразования интенсивности на горизонтальной поверхности в интенсивность на вертикальной стене с определенной ориентацией. Ниже я нанес эти коэффициенты преобразования для северной, южной, восточной и западной стен.

Коэффициенты преобразования, которые преобразуют данные об интенсивности солнца по горизонтали в данные об интенсивности солнца, падающего непосредственно на конкретную вертикальную грань.

Вау!

Что-то очень интересное происходит с северной и южной стенами. Солнце падает только на северную стену летом. Зимой солнце восходит к югу от востока и заходит к югу от запада. Таким образом, солнце никогда не бывает над горизонтом в то время, когда оно в противном случае упало бы на северную сторону. Поэтому мы видим, что солнце падает на окна, выходящие на север, только между весенним и осенним равноденствием. На южной стороне низкая высота солнца зимой означает, что солнце падает прямо на окна, выходящие на юг. Однако летом солнце находится высоко в небе, когда оно находится на юге, поэтому оно падает на окна, выходящие на юг, под очень крутым углом. В результате через окна, выходящие на южную сторону, летом будет проходить очень мало света, а зимой — много. Это очень привлекательная особенность, если мы не хотим слишком сильно нагреваться зимой или слишком сильно охлаждаться летом. Мы можем еще больше уменьшить летние преимущества окон, выходящих на юг, добавив небольшой свес крыши. Как упоминалось ранее, солнце находится очень высоко в небе летом, когда оно находится на юге. Добавив небольшой свес крыши, мы можем блокировать любые солнечные лучи, которые в противном случае попали бы в окна. Этот небольшой свес крыши не будет блокировать зимнее солнце, потому что зимой солнце будет намного ниже в небе.

Восточный и Западный участки практически одинаковы. Небольшие узоры в виде усиков в верхней части графиков возникают просто из-за того, что данные не являются непрерывными. Веса для восточных и западных граней несколько больше весной и осенью, чем зимой и летом. Зимой солнце никогда не светит прямо на восточную и западную стороны, потому что оно восходит к югу от востока и садится к югу от строго к западу. Летом солнце стоит достаточно высоко, когда светит на восточную и западную стороны, и это уменьшает вес. Однако весной и осенью солнце находится низко в небе, когда оно светит прямо на восточную и западную стороны, и это придает больший вес.

График ниже показывает взвешивание для дня в середине лета, дня в середине зимы и дня весной. Глядя на это на ежедневном уровне, мы можем лучше понять, когда солнце светит на каждое лицо и как долго.

Коэффициент преобразования солнца на горизонтали в солнце на каждой стороне дома.

Завершение анализа. лицо дома». Затем мы преобразуем эти интенсивности в мощности и энергии, которые нас действительно интересуют. Чтобы перейти от интенсивности света, падающего на стену (Вт/м²), к мощности солнечного света, падающего на окна, мы умножаем интенсивность на оконные площади. Лишь часть солнечного света, попадающего в окно, проходит через него. Доля солнечного света, прошедшего через окно, определяется коэффициентом притока солнечного тепла. Это свойство самого окна. Таким образом, чтобы получить солнечную энергию, проходящую через окна, мы просто умножаем значения мощности, проходящей через окна, на коэффициент притока солнечного тепла.

На приведенном ниже графике показано количество солнечной энергии, проходящей через окна с каждой стороны дома с окнами площадью 8 м² с каждой стороны и коэффициентом притока солнечного тепла 0,4. Чтобы дать вам некоторое представление о размере кВт, типичный бытовой чайник потребляет около 1,5 кВт, большой холодильник потребляет около 0,8 кВт, светодиодная лампочка потребляет около 0,009 кВт.

Та же картина, что и с весами, остается, хотя и менее четкой. Окна, выходящие на север, видят солнце только летом. Зимой через окна, выходящие на южную сторону, проходит больше солнечной энергии, чем летом. Весной и осенью через окна, выходящие на запад и восток, проходит больше всего солнечной энергии.

Наконец, нам нужно интегрировать силы по времени, чтобы получить энергии. График ниже показывает солнечную энергию, поступающую в дом через окна на каждой стороне здания каждый день. Опять же, рассматриваемое здание имеет одинаковые площади окон с каждой стороны.

Последствия для энергоэффективных зданий

Теперь у нас есть модель, способная рассчитать солнечную энергию и прирост энергии домов с различной ориентацией, площадью окон и окнами. Мы можем использовать эту модель, чтобы изучить, как мы можем использовать эти преимущества солнечной энергии при проектировании зданий. Если вы хотите получать выгоду от солнечной энергии зимой, но не иметь большой охлаждающей нагрузки летом, тогда вы хотите максимизировать свою солнечную энергию зимой, но свести к минимуму свою солнечную энергию летом. Есть 4 вещи, которые мы можем изменить в здании для достижения этой цели:

1. Ориентация здания
2. Площади окон и размещение
3. Коэффициент притока солнечного тепла окна
4. Затенение

Ориентация

Начнем с ориентации здания. На приведенном выше рисунке показан ежедневный прирост солнечной энергии для дома, ориентированного на север/юг/восток/запад и имеющего окна площадью 8 м² с каждой стороны. Давайте посмотрим, как изменится этот выигрыш, если мы повернем этот дом на 45 градусов так, чтобы он был ориентирован на СВ/СЗ/ЮВ/ЮЗ. На рисунке ниже показаны выигрыши через окна на каждой стороне этого дома. Эквивалентная цифра для С/Ю/В/З также приведена ниже, чтобы упростить их сравнение.

Давайте сначала посмотрим на дом СВ/СЗ/ЮВ/ЮЗ. СВ и СЗ грани дают большой прирост летом и совсем не прирост зимой. Это означает, что окна, выходящие на северо-восток/северо-запад, увеличивают нагрузку на охлаждение, но не обеспечивают обогрева  — нежелательный профиль. Юго-восточная и юго-западная закладки дают самые высокие приросты в межсезонье. Приросты летом и зимой очень похожи друг на друга. Выигрыш в межсезонье имеет обратную сторону в виде довольно большого прироста солнечной энергии летом и, следовательно, большой дополнительной нагрузки на охлаждение.

Теперь давайте посмотрим на дом, ориентированный на С/Ю/В/З. Восточная и западная стороны дают низкий солнечный прирост зимой и высокий солнечный прирост летом. Опять же, это не очень хорошо согласуется с нашими нагрузками на отопление и охлаждение. Северная стена дает солнечные приросты только летом, да и то они довольно небольшие. Южная сторона дает большую солнечную энергию зимой и маленькую солнечную энергию летом. Это именно то, чего мы хотим. Окна, выходящие на южную сторону, позволяют солнцу сильно нагревать дом зимой, не добавляя слишком много охлаждающей нагрузки летом. Этот профиль нельзя воссоздать, комбинируя усиления на других стенах. Поэтому, если у нас есть выбор, мы всегда должны ориентировать здания так, чтобы их стены были обращены на юг.

Где разместить окна?

Теперь мы знаем характеристики обогрева окон в каждой ориентации. Мы видели, что, если бы у нас был выбор, мы бы выбрали ориентацию зданий таким образом, чтобы их стены были обращены на юг. Итак, с нашим домом с севера, юга, востока и запада давайте посмотрим, как мы можем изменить расположение окон в здании, чтобы максимизировать наши выгоды зимой и минимизировать наши выгоды летом.

Мы хотим переместить как можно большую площадь окон на южную сторону дома. Однако из соображений освещения у нас, вероятно, не может быть всех окон на одной стороне дома. Мы оставляем 3 м² окон на северной, западной и восточной сторонах здания, а оставшиеся 23 м² окон размещаем на южной стороне. Если мы проектируем новый дом, мы также вольны выбирать, какие окна устанавливать с каждой стороны дома. Коэффициент поглощения солнечного тепла окнами сильно различается. Вы можете получить окна с коэффициентом солнечного тепла 0,1 и другие с коэффициентом 0,7. Мы можем дополнительно улучшить пассивное отопление нашего дома, если выберем окна с высоким коэффициентом усиления на сторонах, которые получают зимнее солнце, и окна с низким коэффициентом усиления на сторонах, которые получают летнее солнце. Таким образом, мы поставим окна с коэффициентом солнечного тепла 0,65 на окнах, выходящих на южную сторону, и окна с коэффициентом солнечного тепла 0,15 на остальных сторонах.

Полученное усиление показано на графике ниже. На этот раз отображается коэффициент усиления через все окна в доме, потому что это общий коэффициент, который влияет на наши нагрузки по отоплению и охлаждению. Также нанесен коэффициент усиления через все окна базового дома. Базовый дом представляет собой дом с такой же ориентацией и общей площадью окон, но с окнами, равномерно распределенными по всем сторонам дома, и со всеми окнами, имеющими коэффициент поступления солнечного тепла 0,3.

 

По сравнению с базовым домом нам удалось увеличить зимние приросты в три раза без увеличения летних приростов!

Немного контекста о том, что означают эти значения энергии: Отдельный дом площадью 1600 квадратных футов на этаж может нуждаться в 270 кВтч отопления в самый холодный день зимой и 110 кВтч охлаждения в самый солнечный день летом. В Квебеке (где электричество особенно дешевое) кВтч стоит от 6,8 до 10,5 центов за кВтч после уплаты налогов (в зависимости от того, сколько вы потребляете). Таким образом, 270 кВтч отопления в самый холодный день будут стоить от 18,36 до 28,35 долларов США, если они будут обеспечены электрическими плинтусами.

При отсутствии облачности солнечная энергия для этого оптимизированного дома составляет 270 кВтч или выше в день в течение всего отопительного периода. Таким образом, при условии, что мы сможем сохранять это тепло в доме в течение ночи (что является проблемой, которую мы не будем здесь исследовать), дом будет нуждаться в обогреве только в пасмурные дни. Это довольно удивительно.

Модернизация существующих зданий

Если вы не строите новый дом, вы мало что можете сделать с его ориентацией. Изменение того, где находятся ваши окна, также является довольно серьезной модернизацией. Но замена самих окон — гораздо более достижимая идея, и вы будете делать это через достаточно регулярные промежутки времени. Итак, если мы вернемся к нашему С/Ю/В/З дому с окнами по 8 м² с каждой стороны, что мы можем сделать, просто изменив SHGC? Будем ставить окна с СТГК 0,65 по южной стене и СТГК 0,15 по остальным сторонам.

Это гораздо менее эффективно, чем перемещение окон, но все же полезно. Зимой прирост увеличился незначительно. Однако летние приросты значительно снижаются  — от примерно 125 кВтч/день в солнечные дни до примерно 75кВтч/день в солнечные дни. Таким образом, счет за отопление для дома будет немного снижен, но счет за охлаждение будет значительно уменьшен.

Недостаток окон

Окна являются плохими изоляционными материалами по сравнению со стенами, поэтому большое количество тепла теряется через окна за счет теплопроводности. Если ваши окна плохо расположены или имеют неэффективные SHGC, ваши окна легко обойдется вам дороже, чем вы сэкономите на отоплении.

Обычное окно с двойным остеклением в пластиковой раме имеет теплопроводность около 3 Вт/м²/Кл. Это означает, что окно площадью 1 м² с разницей температур в 1 градус по Цельсию будет терять тепло со скоростью 3 Вт. Если у нас есть 32 м² окон с теплопроводностью 3 Вт/м²/C, то дом потеряет 96 Вт на градус C разницы между внешней и внутренней температурой. Если на улице -23, а внутри -22, то разница температур на окнах составляет 45 градусов. Это означает, что вы будете терять тепло со скоростью 4,3 кВт через окна. Если мы умножим это на 24 часа, то мы потеряли 104 кВтч тепла через эти окна за один день (при условии, что на улице все время было -23). Если мы оглянемся назад, то увидим, что наши оптимизированные конструкции для «новых зданий» получали гораздо больше, чем те 104 кВтч энергии от солнца во все дни, кроме самых пасмурных. Напротив, прирост солнечной энергии для базового дома зимой часто был ниже 104 кВтч. Часто в те дни через окна теряется больше энергии, чем приобретается.

Поэтому очень важно тщательно проектировать окна в новых зданиях. Окна могут снизить наши тепловые нагрузки без слишком большого увеличения наших охлаждающих нагрузок, если мы их правильно используем, но они могут значительно увеличить наши тепловые нагрузки и наши нагрузки на охлаждение, если мы их плохо спроектируем.

Подведение итогов

Некоторая относительно простая геометрия позволила нам скомбинировать несколько неинтересных по отдельности наборов данных, чтобы получить действительно полезные результаты. Полученная модель позволяет нам рассчитать количество солнечной энергии, поступающей в дом через окна в час, для любой ориентации дома и любого расположения окон.

Изучив эту модель, мы увидели, что дизайн окна может оказывать поразительное влияние на потребности здания в отоплении и охлаждении. В частности, мы видели, что ориентация окна очень важна.

• Окна, выходящие на южную сторону, отлично пропускают солнечный свет. Зимой они обеспечивают высокую солнечную энергию, уменьшая потребность в других источниках тепла, и дают небольшую солнечную энергию летом, сводя к минимуму потребность в охлаждении.
• С другой стороны, окна, выходящие на запад и восток, лучше избегать. Они дают большую солнечную энергию летом, когда она вам не нужна, и небольшую солнечную энергию зимой, когда она вам нужна.
• Окна, выходящие на север, обеспечивают приток солнечной энергии только летом, и даже в этом случае приток солнечной энергии невелик.

При проектировании пассивных солнечных батарей можно использовать эти знания. Вы можете проектировать здания с большой южной стеной, а затем максимизировать площадь окон на этой южной стороне. Вы можете настроить коэффициент притока солнечного тепла для окон на разных сторонах в зависимости от того, насколько хорош профиль солнечного притока через эти окна. Вы также можете затенять южные стороны, чтобы высокое летнее солнце вообще не попадало в комнату.