Вид на теплицу из Солнца

Придётся вам, уважаемый читатель, ещё немного подождать обещанного в предыдущей статье судьбоносного революционного решения в области строительства солнечных вегетариев и их сестёр, валипини (траншейных теплиц): нужно закончить обсуждение всех теоретических предпосылок, чтобы логика и обоснованность этого самого решения была безукоризненной.

Итак, основная «изюминка» солнечной теплицы заключается в том, что она обогревается только энергией Солнца (за исключением единичных аномально холодных дней в году) и достигается этот эффект наклоном поверхности грунта в южном направлении. Однако, эта особенность имеет и обратную сторону: в весенне–летний период такая конструкция переводи к перегреву теплицы (я уже писа́л о разогретом до 34°C воздухе в середине апреля). И один из способов приструнить безудержный энергетический разгул нашего светила заключается в оптимизации конструкции вегетария, а с ним и валипини.

Все рассуждения и расчёты о приходящей на грунт солнечной энергии до этого велись без учёта ограждающих элементов теплицы (стен и крыши). На самом же деле, солнечным лучам необходимо преодолевать, на пути к нетерпеливо ожидающему их грунту, ещё и прозрачные элементы ограждающих конструкций: как правило, проницаемыми для света являются и стены, и крыша.

Сначала родилась идея устанавливать главную (южную) стену вегетария под особым углом (чтобы минимизировать отражение солнечных лучей в критический для теплицы зимний период) и устроить непрозрачную крышу (чтобы минимизировать перегрев в критический для теплицы летний период).

Читать дальше...

Метеорологи с климатологами утверждают, что холоднее всего в Киеве бывает, как правило, 18-25 января (так называемые «крещенские морозы»). В частности, по результатам многолетних наблюдений:

• средняя температура января -5,6°C;
• самая низкая среднемесячная температура воздуха в январе (минус 14,9°C) зафиксирована в 1942 году;
• исторический минимум января составил 31,1° мороза (11 января 1950);
• абсолютный минимум температуры воздуха в Киеве (-32,2 °С) зафиксирован дважды — 7 и 9 февраля 1929 года.

В принципе, метеорологов с климатологами давным давно предвосхитил народ, который утверждает, что в зимний солнцеворот (22 декабря): «Солнце поворачивает на лето, а зима — на мороз». Отсюда первый вывод: при тепловых расчётах нужно ориентироваться не на самый короткий день, когда Солнце отдаёт меньше всего энергии, а на самый холодный период, когда эта энергия больше всего нужна. На практике это означает, что предпочтительнее ориентироваться на значение высоты Солнца над горизонтом равное не 16°9' (максимальное в 11 часов 55 минут 28±8 секунд — астрономический полдень 22 декабря), а, скажем, 19°44' (максимальное в 12 часов 8 минут 9±7 секунд 20 января). При этом, на уложенный под углом 30° грунт будет попадать в ясный морозный день на 37,6% солнечной энергии больше, чем в полдень зимнего солнцестояния.

Мне думалось, что эти градусы важны для выбора угла наклона прозрачных элементов теплицы по отношению к солнечным лучам: если они будут падать на листы поликарбоната (разве есть разумная альтернатива этой прозрачной пластмассе?) под прямым углом, то внутрь вегетария попадёт 85% энергии, дошедшей до этих листов (таков коэффициент их оптической прозрачности при толщине 10 мм). В противном случае, появляются потери, связанные с отражением части лучей от поверхности материала.

И снова в дело вступает старая–добрая, но простая школьная физика.

Падающий луч света (на эскизе слева обозначен цифрой 1), встречается с листом поликарбоната под углом θ (угол падения), при этом большая его часть преломляется под углом γ и поступает в теплицу (луч 3), а оставшаяся часть (2), зависящая от коэффициента отражения, возвращается в окружающую среду, отражаясь от поверхности под углом φ = θ.

Попытка быстро и легко определить потери энергии из–за отражения лучей от наружной поверхности успехом не увенчалась: производители поликарбоната или не придают значения этой физической характеристике своей продукции, или держат её в строгом секрете. Впрочем, приблизительное значение мне удалось рассчитать исходя из коэффициента преломления поликарбоната (1,585) — около 5% (для сравнения, у стекла этот показатель в среднем равен 4%).

График на рисунке справа показывает, что коэффициент отражения для углов падения (и, соответственно, отражения) в пределах от 0 до 40° изменяется мало, и только при 50–55° наблюдается увеличение в 1,5 раза (до 7,5%). Дальше — больше: при угле падения 70° отражается уже более, чем в три раза больше света по сравнению с начальными 40° (около 20%), а при 80° «пропадает» 40% падающего света.

В результате разбирательство оказалось, что если установить южную прозрачную стену с наклоном 70°, чтобы «встретить» под прямым углом лучи Солнца в полдень 20 января, то она их пропустит без дополнительных потерь только в этот день и только в это время: в осенне–зимний период (точнее, с начала октября и до конца февраля) 5% солнечной энергии будет отражаться от наружных стенок вегетария (в утренние и вечерние часы потери на отражение будут немного больше).

Казалось бы, идея потерпела фиаско — зачем городить огород, если эффект мизерный? Однако, всё оказалось не так просто: другая сторона улучшенной концепции — непрозрачная утеплённая крыша вегетария — диктует необходимость максимального открытия внутренностей теплицы солнечным лучам в холодный период, а наклонная фронтальная (южная) стена как нельзя лучше реализует это требование. На приведенных внизу двух эскизах различных моделей вегетария отчётливо видна разница в соляризации по размерам тени от крыши на грунте (смоделировано положение Солнца в полдень 10 мая) — оба варианта имеют фронтальную стену одинакового размера, различие состоит только в разных углах её наклона.

Очевидно, что в случае уменьшения высоты южной стены, что характерно для традиционной конструкции вегетария (при устройстве крыши параллельно грунту), размер тени будет ещё бо́льшим. Примерную динамику инсоляции вегетария, спроектированного по предлагаемой концепции, можно посмотреть на слайдах:

Затем я произвёл оценочные расчёты интенсивности солнечного излучения в использованные для иллюстрации идеи дни (22 декабря, 19 января, 20 февраля, 21 марта, 20 апреля, 21 мая и 22 июня) от восхода Солнца и до полудня (вторая половина дня, очевидно, симметрична первой).

Рассчитывалась величина солнечной радиации в чистой прозрачной атмосфере на широте моего дома за вычетом потерь на отражение от поликарбонатных листов, внутреннего поглощения части энергии сотовыми панелями поликарбоната и исключения затенённых участков грунта теплицы. Для сравнения такие же расчёты проведены для полностью прозрачного вегетария (с крышей из сотового поликарбоната, как на уже знакомом фото слева).

Построенный по результатам расчётов график показывает, что замена прозрачной крыши из сотового поликарбоната на непрозрачную, но хорошо утеплённую, хоть и приводит к некоторому уменьшению получаемой теплицей энергии Солнца (около 10%) в декабре–феврале, зато существенно снижает риск перегревания в летний период:

Желающие ознакомиться с моими расчётами, послужившими базой для построения графиков могут скачать электронную таблицу с Гугл–диска.

В общем, пока не удалось найти конструктивных решений, существенно увеличивающих поступление солнечной энергии в вегетарий. Кроме того, необходимо ещё раз возвратиться к «отсечению» энергии в феврале–марте: не слишком ли рано оно начинается и можно ли начало этого процесса сместить на начало апреля? А ещё червь сомнения гложет по поводу затенённости половины теплицы в летние месяцы: солнечный свет необходим большинству растений для эффективного фотосинтеза. Так что, вопросы остались…

Может быть, есть смысл попробовать прозрачную вставку в крышу вместе со светоотражающим покрытием на северной стене (поверхность, обращённая в вегетарий), что–то наподобие изображённого на серии эскизов внизу?

Получится весьма неплохая «подсветка» с северной стороны (если выкрасить эту стенку в белый цвет или даже наклеить фольгированную плёнку) — сравните распределение света в полдень 22 июня: