Постоянное возрастание объемов энергопотребления, истощение запасов ископаемого топлива и экологические проблемы, возникающие в результате его сжигания, ставят перед человечеством, наряду с рациональным и бережливым использованием традиционных топливно-энергетических ресурсов, задачу перестройки энергетической базы, поиска и разработки местных нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Из нетрадиционных возобновляемых энергетических ресурсов в условиях Республики Узбекистан наиболее перспективна солнечная энергия, энергетический потенциал которой составляет 98,5 % возобновляемых источников энергии, вместе взятых [1, 2].

Одной из наиболее подготовленных сфер широкомасштабного применения солнечной энергии в народном хозяйстве республики, как и во всем мире, — ее преобразование в низкопотенциальное тепло и использование последнего в качестве источника в системах теплоснабжения жилых зданий коммунально-бытовых объектов, являющихся основными потребителями тепла такого же температурного потенциала.

Отметим, что для покрытия тепловых нужд населения и коммунально-бытового сектора ежегодно расходуется 50 % ископаемого топлива [1] по Республике.

Мировой опыт по использованию солнечной энергии показывает, что одними из эффективных систем теплоснабжения низкотемпературных потребителей являются инсоляционные пассивные системы солнечного отопления (ИПССО), отличающиеся простотой, прежде всего, с точки зрения конструктивного решения.

В инсоляционных пассивных системах солнечного отопления солнечные лучи проникают в отапливаемые помещения через оконные проемы (обычно увеличенных размеров) и нагревают внутренние ограждения помещения, которые становятся приемниками излучения и аккумуляторами тепла. Несмотря на самую высокую тепловую эффективность, следует отметить ряд недостатков, свойственных инсоляционным пассивным системам  неустойчивость теплового режима, необходимость применения вспомогательных устройств, снижающих дополнительные теплопотери в ночное время, тепловой и световой дискомфорт в дневное время.

Несомненно, представляет большой практический интерес определение фактических возможностей инсоляционных пассивных систем в климатических условиях центральноазиатских республик. Рассматриваемая задача как актуальная для нашей республики, сводится к выбору рациональных конструктивных решений совмещения основных элементов инсоляционных пассивных систем солнечного отопления, тепловой оптимизации их основных параметров и экспериментальной проверке достоверности результатов выполненных расчетно-оптимизационных исследований.

Одним из основных показателей инсоляционных пассивных систем солнечного отопления является тепловая эффективность их светопрозрачной стены.

Источниками тепловой энергии в инсоляционных пассивных системах солнечного отопления, ориентированный на юг, вертикальный светопроем которых снабжен плоским рефлектором для дополнительной подсветки отапливаемого помещения днем и уменьшения тепловых потерь через светопроем ночью, как следует из названия, являются входящее в отапливаемое помещение через рассматриваемый светопроем суммарное (прямое и рассеянное) солнечное излучение и входящее через этот же светопроем прямое солнечное излучение, отраженное от зеркальной поверхности плоского рефлектора, шарнирно соединенного с нижней частью рассматриваемого светопроема, т. е. [9]

, (1)

где

- дневная сумма непосредственно входящего в отапливаемое помещение суммарного солнечного излучения;

- дневная сумма входящего в отапливаемое помещение прямого солнечного излучения, отраженного от поверхности рефлектора. Среднедневное значение тепловой эффективности инсоляционных пассивных систем солнечного отопления определено из общеизвестного отношения

, (2)

где

; (3)

- дневная сумма суммарного солнечного излучения падающего на плоскость вертикального, ориентированного на юг светопроема,

- дневная сумма прямого солнечного излучения, падающего на плоскость вертикального, ориентированного на юг светопроема и отраженного от зеркальной поверхности рефлектора.

Применение шарнирно-трансформируемых плоских рефлекторов в инсоляционных пассивных системах солнечного отопления позволяет в определенной степени увеличить плотность потока прямой солнечной радиации, падающей на поверхность светопрозрачного ограждения [3, 4, 5]. В экспериментальных объектах [3, 4] шарнирно-соединенный с нижней частью светопроема (светопрозрачной стены) плоский рефлектор в дневное время приводится в горизонтальное положение. Однако, в работах [3, 4] отсутствует информация о выборе такого расположения рефлектора. Как показывают результаты расчетов и соответствующих экспериментальных измерений, проведенных нами, при низком стоянии Солнца (с 5 декабря по 10 января) эффект применения плоского рефлектора снижается как за счет уменьшения прямой солнечной радиации, падающей на зеркальную поверхность коллектора, так и за счет не полного освещения фронтальной поверхности светопроема отраженной от зеркальной поверхности рефлектора прямой солнечной радиации.

Тепловая эффективность применения плоского рефлектора, шарнирно соединенного с нижней частью светопроема, в инсоляционных пассивных системах солнечного отопления при прочих равных условиях зависит от угла падения прямого солнечного излучения, отраженного от зеркальной поверхности рефлектора, на поверхность светопроема (). Для определения значения в работах [7, 8] предложено выражение

, (5)

где - составляющий единичного вектора в по оси х, определямый из уравнения зеркального отражения, т. е.

, (6)

n и c — единичные векторы нормали рефлектора и солнечного луча.

Выражение (5) в явном виде может быть представлено как

, (7)

где - годовое склонение Солнца; - географическая широта местности; - момент истинного полудня; — текущее время суток; - угловая скорость вращения Земли вокруг своей оси;

(8)

— угол падения прямого солнечного излучения на зеркальную поверхность рефлектора; - угол наклона зеркальной поверхности плоского рефлектора к горизонту.

При , т. е. при горизонтальном расположении плоского рефлектора [3,4], решения (7) и (8) принимают вид общеизвестных выражений для расчета угла падения прямого солнечного излучения соответственно на вертикальную и горизонтальную поверхности.

Основная цель применения шарнирно трансформируемых рефлекторов в плоских солнечных тепловых установках и коллекторах — повышение поверхностной плотности потока солнечного излучения на их лучевоспринимающих поверхностях. Задача определения оптимального угла наклона к горизонту рассматриваемых рефлекторов в зависимости от текущего времени года, т. е. склонения Солнца, практически оставалось не изученной.

В связи с этим представляет практический интерес определение оптимального угла наклона к горизонту шарнирно соединенных с нижней частью оконного проема плоских трансформируемых рефлекторов, в зависимости от времени года, с целью максимального улавливания отраженного от него потока прямой солнечной радиации светопроемом.

Оптимальным при этом считается угол наклона солнечного рефлектора, при котором в полдень весь отраженный от него поток падает на поверхность светопроема при равенстве площади их поверхностей [6]. Для удобства рассматриваемую задачу решим для светопроема, имеющего нулевую глубину относительно плоскости наружной поверхности несущей вертикальной стены ориентированной на юг. Как следует из рис. 1, в полдень

; (9)

. (10)

Рис. 1. Принципиальная схема к определению оптимального угла наклона к горизонту плоского трансформируемого рефлектора инсоляционной пассивной системы солнечного отопления; 1-солнечные лучи, 2-светопроем (двухслойное светопрозрачное ограждение), 3-шарнирно трансформируемый зеркальный рефлектор, и соответственно, углы падения и отражения прямого солнечного излучения на поверхности рефлектора.

Значение оптимального угла наклона рефлектора () при этом

, (11)

где i- угол падения прямого солнечного излучения на поверхность рефлектора, который равен углу отражения излучения от этой же поверхности ().

Значение угла падения прямого солнечного излучения на поверхности плоских приемников, ориентированных на юг под углом наклона к горизонту (), определяется из выражения (8), т. е.

В полдень ч и в этой связи , и выражение (8) может быть представлено как

. (12)

Как следует из (12),

. (13)

Подставляя (13) в (10) и учитывая, что , получим

. (14)

С значения , определяется по формуле

, (15)

где n- порядковый номер дня года от 1 января.

Литература:

1. Возобновляемые источники энергии. / В кн.: Первое национальное сообщение Республики Узбекистан по Рамочной конвенции ООН об изменении климата. Фаза 2. Главное Управление по гидрометеорологии при КМ Республики Узбекистан -Ташкент, 2001.- С.34–36.
2. Авезов Р. Р., Захидов Р. А. Возобновляемые источники энергии-энергетический резерв Узбекистана // Горный журнал. Спецвыпуск.М.; 2004. С. 72–74.
3. Сабади П. Р. Солнечный дом. -М.: Стройиздат, 1985. -113с.
4. Мхитарян М. М. Энергосберегающие технологии в жилищном и гражданском строительстве. -Киев: Наукова Думка, 2000. -417с.
5. Бабакулов К. Б. Совмещенная пассивная система солнечного отопления и горячего водоснабжения жилого дома: Автореф. дис. … канд. техн. наук.- Ашхабад, 1986.-20с.
6. Дусяров А. С., Авезов Р. Р. Оптимальный угол наклона к горизонту трансформуемого рефлектора пассивных систем солнечного отопления // Гелиотехника, 2000. № 1. Ст. 60–63.
7. Дусяров А. С., Авезов Р. Р., Авезова Н. Р. Дневной ход тепловой эффективности пассивных систем солнечного отопления, снабженных плоскими рефлекторами. // Гелиотехника, 2001. № 3. С.60–65.
8. Дусяров А. С., Авезов Р. Р. Температурный режим помещения с рефлекторной пассивной системой солнечного отопления и аккумулятором тепла // Гелиотехника, 2000. № 4. С.50–54.
9. Авезов Р. Р., Дусяров А. С. Теплопроизводительность и средневзвешенная тепловая эффективность инсоляционных пассивных систем солнечного отопления с плоскими рефлекторами излучения. // Гелиотехника, 2005. № 4. С.89–91.