Сабади - Солнечный дом

П.Р. Сабади

Солнечный дом

Перевод с английского И. Б. Гладковой

Москва Стройиздат 1981

Сабади П. Р.

Солнечный дом/Пер. с англ. Н. Б. Гладковой. — М.: Стройиздат, 1981. — 113 с, ил.

Рассматривается проблема использования солнечной энергии и предлагается решение некоторых связанных с этим задач, На основе опыта, накопленнс11о в этой области, делаются прогнозы на будущее.

Дается практическая информация по использованию солнечного излучения; анализируются наиболее интересные солнечные установки в Европе и США. Приходится также сравнение различных типов солнечных коллекторов и методы аккумулирования солнечного тепла.

Книга предназначена для проектировщиков и инженеров-строителей.

© Sabady. 1978

© Перевод на русский язык, Стройиздат, 1981

ПРЕДИСЛОВИЕ К АНГЛИЙСКОМУ ИЗДАНИЮ

Возможность использования солнечной энергии для отопления в наше время обп1,епризнана. Хотя технология этого использования была известна уже очень давно, настоятельная необходимость обратиться к ней появилась только после энергетического кризиса 1973 г., когда во многих странах возникла потребность в новых источниках энергии. Теперь во многих странах ведется строительство домов, спроектированных на основе использования энергии солнца, и в настоящее время уже можно оценить этот опыт и дать практические рекомендации.

П. Р. Сабади — руководитель проекта и основатель компании по использованию солнечной энергии, изобретатель системы солнечного аккумулятора и автор проекта первого большого здания солнечной фабрики, спроектированного и построенного в Швейцарии, в Цюрихе. П. Сабади читает лекции по использованию солнечной энергии в технических институтах Швейцарии, Австрии и ФРГ. Его книга «Как я могу согреться солнцем?» завоевала популярность в ФРГ. П. Сабади принадлежат также многочисленные статьи о солнечной энергии, опубликованные в французских и немецких журналах и периодических изданиях.

Предлагаемая читателю книга — широко известный труд «Дом и энергия солнца» («Hous und Sonnenkraft»), который за короткий срок выдержал три издания.

Проблема использования солнечной энергии рассматривается на фоне исторических и экономических предпосылок. В книге рассматриваются и сравниваются различные типы солнечных коллекторов и анализируются многие способы аккумулирования солнечной энергии. Отдельная глава посвящена солнечным домам, которые уже построены в Европе и США.

Подробно описываются особенности строительства подобных сооружений и даются их технические характеристики.

Множество фотографий, диаграммы и таблицы помогут читателю составить ясное представление о прошлом, настоящем и будущем использования солнечной энергии.

ВВЕДЕНИЕ

'В ноябре 1973 г. разразился энергетический кризис, что поставило многие страны перед угрозой энергетического эмбарго. Транспорт, заводы и фабрики, центральные отопительные системы могли прийти в бездействие, и мы неожиданно увидели, что наше постоянно нуждающееся в энергии общество построено на весьма непрочном основании.

Сегодня у нас снова есть нефть (хотя мы должны платить за нее намного дороже), но никогда впредь в мире не будет такого положения, каким оно было до ноября 1973 г.  Растущий страх за энергетические резервы, за наш уровень жизни доминирует сегодня в мире. Расточение энергии стало грехом, а поиски новых видов энергии — важнейшей задачей. В журналах и по телевидению теперь можно увидеть необычные здания, в которых солнечное излучение используется в качестве энергетического источника. В результате может сложиться впечатление, что использование солнечной энергии для бытовых целей — нечто такое, чего раньше никогда не было. Однако возможность использования солнечной энергии для этих целей была известна тысячи лет назад, а в нашем столетии была открыта заново. До самого последнего времени новые открытия в области солнечной энергетики публиковались, главным образом, в специальных журналах и изданиях университетов, которые доступны немногим. В этой книге хотелось бы дать информацию общего характера и продемонстрировать широкому кругу специалистов возможность обеспечения зданий теплом за счет солнечной энергии.

Использовать нефть можно, в конце концов, только для производства жизненно важного сырья и протеина. Возможно, запрет на использование нефти для отопления не так далек, но он должен быть вызван не политическими причинами, а здравым смыслом.

Мы должны понять, что перерасход энергии и связанное с ним загрязнение окружающей среды может со временем разрушить всю цивилизацию. Необходимо «очистить» энергию. Осуществить это могут инженеры, ученые, архитекторы, строители, политические деятели. Но и все люди должны осознать свою ответственность и помочь найти решение этой проблемы. Эта книга представляет собой прямой вклад в реализацию идеи охраны окружающей среды путем широкого использования солнечной энергии.

1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА

Когда мы произносим слово «энергия», то предполагаем главным образом что-то абстрактное, техническое, имеющее отношение только к инженерам и ученым. Но если вдуматься, вся история человечества была и есть история борьбы за получение все большего количества энергии. Все существенные достижения человека были в действительности новыми формами получения и использования энергии. С незапамятных времен человек нуждался в энергии, чтобы постоянно улучшать свои жизненные условия. С открытием нового вида энергии менялся образ жизни человека. Самым первым видом энергии в распоряжении человека была сила его собственных мускулов. Однако ему пришлось преодолеть предел этой силы, поскольку его уже не удовлетворял тот комфорт, который он мог создать своими собственными руками.

Прошли тысячелетия, и человек освоил внешние источники энергии — огонь и силу прирученных им животных. Значение этих двух видов энергии неизмеримо. Так, еще в 1860 г. 15% энергии, используемой во всем мире, производилось усилиями человека и 73% —животных.

Энергия используется в виде тепла и механической силы. Сначала механическая энергия вырабатывалась ветром и водой и немного позже переработкой тепла или посредством взрыва. Архимед и Герои из Александрии впервые предложили вырабатывать механическую' энергию из тепла.

Больший спрос на энергию появился со стремлением к сравнительно более развитой цивилизации. Достаточно вспомнить об огромных обогреваемых купальных комплексах античного времени. Отапливаемое сооружение в Тель-Азмаре размером 55X32 м было построено около 300 г. до н. э.; королевский дворец Арзава в Юго-Западной Анатолии с расположенной в центре пола обогревательной установкой возведен в 1200 г. до н. э. Римские бани обогревались горячим воздухом и потребляли массу энергии.

Термы Каракаллы были рассчитаны на 2300 чел., а термы Диоклетиана— на 3200 чел. Все эти сооружения обслуживали не только властителей, но и все население города. Никогда раньше не было возможности обеспечить потребность в энергии такого количества людей.

Проживающие в США 6% населения земного шара используют 1/3 энергии, производимой во всем мире. Американец в среднем использует энергии в 3 раза больше, чем западноевропеец, и в 9 раз больше, чем турок. История современной энергетики началась в XVII в., когда в период Возрождения были заново открыты давно забытые идеи Аристотеля и Герона. Француз Денис Папин первый построил паровую установку. XVIII и в особенности XIX в. дали миру целую плеяду изобретателей и мыслителей, изобретения и идеи которых создали интеллектуальный и технический базис современного общества.

Изобреталось множество машин, которые, создавая все больше ценностей, требовали, естественно, большего количества энергии. Уголь был главным источником энергии вплоть до 1958 г., но прогресс последних 20 лет основан на нефти, активно использующейся с начала XIX в. Но еще в начале XX в. могли сказать: «Нефть— бесполезное выделение земли. Это липкая жидкость, которая дурно пахнет и не может быть никак использована». С тех пор было добыто 38 млрд. т нефти, а с 1955 г. по 1968 г. расход нефти утроился.

Сегодня 5 млрд. т нефти используется ежегодно и специалисты считают, что ежегодный прирост расхода нефти равен 7,3%. Известные запасы нефти составляют приблизительно 90 млрд.т., а это означает, что примерно через 45 лет  на земле не останется ни одной капли нефти. Поскольку снабжение нефтью уменьшается цена ее может стать настолько высокой, что использование ее в качестве источника энергии для отопления вскоре будет нерентабельным.

Каково положение с другими источниками энергии?

1.1. УГОЛЬ

Запасы угля до сих пор достаточно велики, особенно в Советском Союзе, США и Китае. Специалисты предполагают, что его количество доходит до 7600 млрд. т, что максимальное использование угля будет достигнуто приблизительно к 2150 г. и что уголь не будет считаться дефицитом вплоть до 2300 г. Уголь был первым источником энергии, использование которого вызвало необходимость охраны окружающей среды. В 1307 г. в Лондоне все печи для обжига извести, использующие уголь, были запрещены по причине выделения тяжелого дыма. Добыча угля становится все более трудоемкой: 50 лет назад разрабатывались месторождения угля на глубине 350 м, а сегодня средняя глубина залегания промышленных разработок достигает 700—1000 м. Кроме того, постоянная угледобыча оставляет испорченными многие квадратные километры земли.

1.2. АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ

Это одна из величайших надежд нашего века. В настоящее время в Америке 5%, в Европе 1% потребности в энергии удовлетворяется с помощью атомных источников. Согласно прогнозам Комиссии по атомной энергии при ООН, 70% мировых потребностей в энергии в 2000 г. будет удовлетворяться атомной энергией.

Предполагается, что в 1985 г. атомная энергия будет обеспечивать в США 16,7% энергетических потребностей, во Франции — 50%, ФРГ — 25%, в Великобритании — 7%- Однако существует слишком много нерешенных технических проблем, а теоретические разработки не могут еще внедряться в практику. Термоядерный реактор, в котором происходят те же процессы, что и на Солнце, изучается с 1952 г., но пока еще сомнительно, что эта проблема будет решена до 2000 г.

Трудности и опасность использования атомной энергии хорошо известны из многих дискуссий и средств массовой информации во всех странах. Основная проблема состоит в том, что ученые 77 лет спустя после открытия первых радиоактивных элементов до сих пор не знают, как поступать с радиоактивными отходами и что делать с реакторами после их амортизации. Если эти проблемы не найдут экономического и экологического разрешения, то цена на атомную энергию будет высокой не только для развивающихся, но и для развитых капиталистических стран.

Будем надеяться, что решение этих неотложных проблем будет найдено, иначе мечта об Атомном веке закончится, не начавшись, и исследования в этой области войдут в историю человечества как самое ошибочное капиталовложение нашей цивилизации.

1.3. ДРУГИЕ ВИДЫ ЭНЕРГИИ

Другие классические виды энергии, такие, как сила воды (5% в 1975 г., приблизительно 2% в 1985 г.), природный газ (открытый около 50 лет назад) в настоящее время пригодны в ограниченных количествах. Они смогут обеспечить только небольшую часть наших будущих потребностей в энергии.

Уже давно специалисты знали о неудовлетворительном состоянии энергетической экономики, но особенно это стало ясно во время нефтяного кризиса 1973 г. Так что сейчас можно сказать, что эмбарго на нефть принесло больше пользы, чем тот дешевый поток нефти, который был нам доступен в последние 15 лет.

В самом деле, мы, видимо, должны быть благодарны тому обстоятельству, что повышение цен на нефть стимулировало поиски новых источников энергии, не загрязняющих окружающую среду, а также привело к тому, что правительства и частные

Предприниматели готовы вложить большие средства в исследовательские работы по изысканию альтернативных источников энергии. В настоящее время исследуются энергия ветра, геотермический, биологический газ и другие виды энергии, но самый большой и самый чистый энергетический источник лежит от нас на расстоянии 149 млн. км. Это Солнце.

2. СОЛНЦЕ КАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

«Перевозчик» солнечной энергии — излучение.- Оно состоит из видимых световых лучей и невидимого ультрафиолетового и инфракрасного излучения (рис. 5). Видимые световые лучи имеют длину волны от 0,4 μ до 0,8 μ (1μ=10^{-6 м), длина волны ультрафиолетовых лучей меньше 0,4 ц, а инфракрасных — больше 0,8 μ. Примерно 9% солнечного излучения лежит в полосе теплового излучения. Солнце, ярко светящийся газовый шар, состоит в основном из водорода (70%) и гелия (27%). Энергия — это результат термоядерных реакций. При этом Солнце теряет миллионы тонн своей массы каждую секунду. Интенсивность излучения на поверхности Солнца 70—80 тыс. кВт/м2 при температуре 6000° С. Наша Земля получает небольшую, но значительную часть этой энергии — приблизительно 180 000 млрд. кВт. Это примерно в 18 тыс. раз больше, чем то количество энергии, которое человечество выработало к сегодняшнему дню на всей Земле.}

За пределами земной атмосферы поток излучения составляет 1394 Вт/м2 или 2кал/см2 в мин. Эта величина называется солнечной постоянной. Проходя через атмосферу, огромное количество этого излучения (30—40%) рассеивается, и поверхность Земли на уровне моря в ясный день получает 0,855 кВт/м2—1 кBт/м2 прямой радиации. Естественно, что часть (около 50%) рассеянного в атмосфере света достигает поверхности Земли также в виде энергии.

Продолжительность солнечного излучения и его интенсивность зависят от времени года, погодных условий и, конечно, от географического положения местности. Около 25% поверхности Земли получает солнечный свет, т. е. прямое солнечное излучение, в течение всего дня. В большинстве стран продолжительность действия прямого солнечного света и интенсивность излучения измеряются десятками дней. Для технических расчетов пользуются среднегодовыми показателями, из которых выводятся средние величины для каждого часа дня и каждого месяца.

Эти величины определяются отдельно для горизонтальных и различным образом ориентированных вертикальных поверхностей. Пользуясь такими данными, можно получить соответствующие значения эффекта радиации для каждого часа дня.