Проектирование жилища должно проводится на основе строгого учета природно-климатических особенностей региона с использованием достижений традиционного строительства. Основы подобного подхода были заложены еще Ф.Л.Райтом.

Рассмотрим вопрос на примере проектирования жилища в США, всю территорию которых можно разделить на 4 больших зоны:

• холодного;
• умеренного;
• жаркого сухого;
• жаркого влажного климата.

В зоне холодного климата до сих пор распространены компактные объемы с ассиметричными двускатными кровлями (Salt box, Cape cod). Крутой скат кровли ориентирован на юг, более длинный, пологий - на север, т.к. в этом случае он лучше противостоит снеговой и ветровой нагрузке. Подвальные и цокольные этажи, чердаки усиленно утеплены, вход в дом организован через тамбур. Городские дома блокируются для уменьшения теплопотерь. Основные проемы, защищенные ставнями, ориентированы на юг. Объемно-планировочные решения этих домов служат основой для проектирования солнечных домов в холодном климате США.

Особо следует выделить территорию Аляски. Спецификой этих районов является большое количество солнечных дней, несмотря на суровый климат. Вопросы строительства солнечных домов на Аляске рассмотрены в работах Hai-Toh Lim.

В зоне умеренного климата традиционным типом дома является ранчо из нескольких объемов, сгруппированных вокруг открытого двора.

В зоне жаркого сухого климата традиционными жилищами являлись глинобитные пуэбло. Именно здесь были сделаны первые попытки использования солнечной радиации для получения тепловой энергии и построены первые солнечные дома.

В зоне жаркого влажного климата наиболее распространена павильонная планировка домов с выделением кухни и прачечной в отдельный блок. Характерно сочетание легких и массивных конструкций, раздвижных перегородок. В массивных стенах обеспечивается защита от жары, в легких - проветривание. Широко применяются приемы, интенсифицирующие естественные процессы вентиляции:

• увеличение высоты отдельных помещений;
• размещение оконно-вентиляционных блоков в верхней части здания.

Именно здесь сложился своеобразный «гонтовый стиль».

Таким образом, даже в традиционном жилище природно-климатические условия значительно изменяют облик дома. Особенно важна климатическая дифференциация при проектировании солнечных домов.

Традиционные типы домов:

• Компактные жилые дома
• Жилые дома линейной и павильонной структуры
• Массивные жилые дома
• Заглубленные в грунт дома

Компактные планировочные схемы основаны на традиционных решениях домов первых поселенцев Новой Англии. Обычно это 2 - этажный объем, перекрытый скатной кровлей. На 1- м этаже - единое пространство обшей комнаты - столовой — кухни, к которым с северной стороны примыкают хозяйственные помещения и гараж для организации защитной буферной зоны. На 2-м или мансардном этаже - спальные комнаты.

Американские специалисты считают, что в холодном климате активные системы могут функционировать незначительную часть года, поэтому их рационально использовать лишь для сезонного горячего водоснабжения. Пассивные системы работают постоянно даже в условиях рассеянной радиации. Поэтому в солнечных домах, проектируемых для северных районов США, основными накопителями тепла служат:

• теплицы;
• атриумы;
• наружные термальные массивы типа стены Тромба.

Прекрасным примером соединения современных технологических решений и традиционной объемно — планировочной структуры является 2-этажный дом в штате Массачусетс, в районе с сохраняемой исторической застройкой (рис. 1). В холодном климате Массачусетса требовалось максимально изолировать все элементы здания. Компактный 2-этажный дом с северной стороны слегка заглублен в склон и защищен от холодных ветров гаражом. Вход в дом — через тамбур с промежуточного уровня. Единое пространство 1-го этажа ориентировано на юг, в нем выделена кухня посредством использования раздвижной перегородки. В центре общей зоны находится оранжерея, которая может быть изолирована при помощи управляемой вручную драпировки.

Накопление тепла происходит в простенках южного фасада по типу стены Тромба: бетонные стены толщиной 30 см покрашены снаружи в черный цвет и остеклены. Воздух циркулирует через вентотверстия на уровне пола и под потолком 1-го этажа. Излишки тепла поглощаются массивным бетонным основанием, покрытым темной керамической плиткой. В центре главного помещения находится отверстие в перекрытии (2,0х2,5 м), через которое теплый воздух поднимается на верхний уровень, обогревая спальни. Благодаря окну верхнего света в кровле этим же способом осуществляется активная вентиляция здания в летнее время. Отапливаемая площадь дома около 200 м².

Рис. 1. Компактный жилой дом для холодного климата (Массачусетс):

а - общий вид с южной стороны;

б - план 1-го этажа;
1 - тамбур; 2 - вход в гараж; 3 - гостиная; 4 - столовая;
5 - кухня; 6 - теплица; 7 - стена Тромба; 8 - отверстие в перекрытии.

Жилой дом в штате Нью-Гемпшир также спроектирован для холодного климата (рис. 2). В этом компактном здании с традиционной скатной кровлей комбинируется непосредственный обогрев помещений 1-го этажа с получением тепла в примыкающей к дому, встроенной в склон теплице. Аккумуляторами тепла в ней служат вертикальные фибергласовые трубы с водой, окрашенные в черный цвет, а в жилых помещениях 1-го этажа - массивные стены, ограждающие лестницу, и бетонное основание. Стена толщиной 30 см и длиной 2,5 м расположена сразу за южным проемом. В спальнях 2-го этажа аккумулятором поступающей через проемы радиации служат емкости с водой, установленные в специальные ниши. Функционирование системы обеспечивается при помощи подвижных жалюзи под свесами кровли и на плоскости остекления теплицы, раздвижной двери между теплицей и жилым пространством, а также вентиляцией через лестницу и фонарь верхнего света в крыше.

Рис. 2. Компактный жилой дом с пристроенной гелиотеплицей для холодного климата:

а - общий вид;

б - план 1-го этажа;

в - разрез;
1 - гостиная; 2 - столовая; 3 - кухня; 4 - гараж; 5 - теплица;
6 - стена-аккумулятор; 7 - массивное основание; 8 - полиэтиленовые трубы с водой.

Дома линейной и павильонной структуры

Необходимость ориентации жилых помещений на юг в первых солнечных домах привела к созданию линейно-широтной планировочной схемы. Линейная схема широко распространена в загородных и сельских домах в США. В основе ее обычно лежит принцип ранчо - американской фермы со свободным размещением объемов, дающим возможность дальнейшего развития и в то же время изоляции от внешней среды. Важным элементом дома является замкнутый или полузамкнутый двор, образованный жилыми и хозяйственными постройками.

На рис.1 изображен современный дом-ранчо, в котором применены различные способы пассивного солнечного отопления. Одноэтажное здание состоит из двух пересекающихся объемов (крестообразный план), наиболее протяженный из которых ориентирован на юг. В здании четыре энергоактивных зоны:

столовая и гостиная обогреваются непосредственно солнечными лучами, которые в гостиной попадают прямо на массив камина;

хозяйственные помещения цокольного этажа освещаются и отапливаются через южные окна благодаря естественному понижению уровня земли;

обогрев и инсоляция спален осуществляется через коридор, служащий накопителем тепла.

Летом солнцезащита помещений обеспечивается при помощи козырьков, перголы, свесов кровли. Отапливаемая площадь дома 340 м2.

Рис. 1. Солнечный дом-ранчо:

а - общий вид;

б - план
1 - семейная комната; 2 - столовая; 3 - кухня; 4 - гостиная;
5 - камин-аккумулятор; 6 - патио; 7 - галерея; 8 - спальня; 9 - гараж.

В жарком климате павильонная планировка издавна служила целям борьбы с высокой влажностью и перегревом. Вытянутый план, сквозное проветривание, обилие террас и балконов, размещение кухонь, прачечных в отдельном объеме - характерные черты этого жилища.

Для зданий, расположенных в жарком влажном климате, особенно важна усиленная естественная вентиляция, которая достигается за счет специфической организации покрытий, образующих повышенные в центре пирамидальные пространства с усиленной тягой, создаваемой проемами в верхней его части.

Массивные дома

Строительство жилища в районах сухого жаркого климата всегда подчинялось требованиям защиты от агрессивного влияния среды. Глинобитный дом в этих районах сам по себе является пассивной солнечной системой, т.к. его массивные стены великолепно стабилизируют внутренюю температуру дома.

Весьма интересны разработки области технологии строительства "керамических домов" американского архитектора N.Khalili.

Пластические возможности глинобитной или глинобетонной массы, монолитной или в блоках, позволили создать своеобразный стиль этих домов с живописной лепкой формы основных объемов здания. Пассивное охлаждение в них осуществляется за счет аккумулирования тепла в наружных стенах и основании. Усиленная вентиляция создается при помощи смещения уровней и образования проемов в верхней части дома. Теплозащита обеспечивается навесами, козырьками, буферными пространствами (патио и полузакрытые дворики). Активные системы, наиболее успешно функционирующие в этом климате, обеспечивают горячее водоснабжение.

Рис. 1. Дом монолитной глинобетонной конструкции:

а - общий вид;

б - план;

в - разрез;
1 - общая комната; 2 - кухня; 3 - спальня; 4 - санузел;
5 - постирочная; 6 - фонарь верхнего света; 7 - оранжерея.

Основы проектирования солнечного дома

• Гелиотехнические требования
• Дома с пассивной системой солнечного отопления
• Гелиодома с активной системой
• Гелиодома с интегральной системой
• Выводы и рекомендации

Гелиотехнические требования

На архитектуру гелиодома существенное влияние оказывает форма гелиоприемника и его размеры. В этой связи для архитекторов важны такие показатели, как отношение площади гелиоприемника к отапливаемой площади здания - коэффициент гелиообеспечения К1г.п и угол наклона гелиоприемника .

Рис.1. Зависимость площади гелиоприемника Fг.у (м2) и показателя используемости выработанной гелиоэнергии И (%)
от планируемой эффективности (%) гелиосистемы и угла наклона гелиоприемника:

Fг.п/Vзд - отношение площади гелиоприемника к объему здания; Fг.п/Vзд - отношение площади гелиоприемника к площади здания.

Архитектор В.А. Акопджанян рекомендует для гелиодомов любой этажности и планировочной структуры К1г.п = 0,5. Однозначный ответ в данном случае представляется не совсем верным.

Д.А. Даффи и У. А. Бекман считают, что при оптимизации площади гелиоприемника основное внимание следует обратить на стоимость гелиосистемы. По их мнению, минимальная стоимость гелиосистемы обеспечивается при К1г.п=0,33...0,66 (в каждом конкретном случае это зависит от планировочного и конструктивного решения здания, типа гелиосистемы и климата). Они также отмечают, что Г. Леф и А. Тибоут исследовали зависимость стоимости используемой энергии от доли солнечной энергии в теплопотребности малоэтажного здания в Бостоне (43° с.ш.), Омахе (42° с.ш.) и Альбукерке (35° с.ш.). Наименьшая стоимость единицы тепловой энергии отмечалась при 40 — 70% доле солнечной энергии в тепле, потребляемом зданием.

Нецелесообразность чрезмерного увеличения площади гелиоприемников Fг.п, а значит К1г.п, отмечает М.М. Захидов. Результаты исследования позволили ему установить определенную зависимость между К1г.п и эффективностью гелиосистемы (долей солнечной энергии в теплопотребности здания), а также показателем используемости выработанной гелиоэнергии. Так, увеличение К1г.п в 2 раза (с 0,25 до 0,5) повышает эффективность гелиосистемы более чем в 2 раза (с 25 до 50...55%). Дальнейшее повышение эффективности гелиосистемы в 2 раза (до 100%) требует увеличения площади гелиоприемника почти в 3 раза; при этом резко снижается показатель используемости солнечной энергии, что показано на рис., где эффективности гелиосистемы, равной 40...70%, соответствует К1г.п= 0,45...0,70.

Угол наклона гелиоприемника оказывает влияние не только на эффективность гелиосистемы, но и на формирование архитектурного образа гелиодома. М.М. Захидов рекомендует решать малоэтажные гелиодома только с вертикальным размещением гелиоприемников на южном фасаде дома. При таком расположении гелиоприемники меньше запыляются, не задерживают снег, что говорит об их эксплуатационных преимуществах по сравнению с наклонными.

Однако большинство авторов, как отмечает С. В. Зоколей, рекомендует угол наклона гелиоприемника, равный широте местности. С.В. Зоколей считает необходимым учитывать климатические условия при выборе оптимального угла наклона гелиоприемника. Для Лондона, где 54% годовой солнечной радиации падает на диффузную составляющую, максимальное тепловосприятие обеспечивается при угле наклона 34°. Оптимальный угол наклона гелиоприемника, по мнению С. В. Зоколея, лежит между широтой местности и горизонталью, причем его значение определяется долей диффузной радиации.

Для условий Средней Азии, где преобладают ясные дни и доля диффузной радиации незначительна, А. А. Саидов предлагает определять угол наклона гелиоприемника в зависимости от прямой солнечной радиации, а также от широты местности и периода эксплуатации гелиосистемы. Подсчитав количество теплопоступлений от прямой солнечной радиации на поверхности разного наклона и ориентации, А.А. Саидов предлагает:

• для систем круглогодичного действия — + 10...15°, где — широта местности;
• для систем гелиоотопления — 90 — h, где h — высота солнца в полдень 15 января;
• для гелиосистем, действующих только в теплое время года .

Эти же расчеты позволили А.А. Саидову определить оптимальную ориентацию рабочей поверхности гелиоприемника, функционирующей круглогодично, в пределах 165...195° ю.ш., в теплое время года — в пределах 150...210° ю.ш.

С.В. Зоколей допускает возможность отклонения от строго южной ориентации гелиоприемника на восток или запад до 30°, что, по его мнению, дает уменьшение суммарного геплопоступления всего лишь на 2%.

В. А. Акопджанян рекомендует ориентировать поверхность гелиоприемников не строго на юг, а со смещением на запад на 15°. По его мнению, такая ориентация позволяет получить наибольшее суммарное дневное теплопоступление от солнца.

В рекомендациях отмечена другая закономерность для условий Средней Азии; поверхности, ориентированные на восток, получают больше солнечной радиации, чем поверхности, ориентированные на запад. Причиной такого положения является увеличение запыленности воздуха во второй половине дня.

Дома с пассивной системой солнечного отопления

«Солнечные дома» имеют различную систему солнечного теплообеспечения. Разнообразие гелиосистем обусловило различную архитектуру гелиодомов. Американский архитектор С. В. Зоколей классифицирует гелиодома по типу применяемой гелиосистемы на 3 группы:

• с пассивной гелиосистемой;
• с активной;
• с активной, имеющей тепловой насос.

В. А. Акопджанян, также разделивший гелиодома на 3 вида, в отличие от С.В. Зоколей из группы с активной системой солнечного отопления выделил гелиодома со смешанной системой (активная + пассивная) и назвал ее интегральной. Гелиодома с интегральной системой имеют свою специфику, характерное объемно-планировочное решение жилища, присущее группе как с пассивной, так и с активной системой.

К «солнечным домам» с пассивной системой гелиоотопления можно отнести все жилые здания со светопроемами, ориентированными на южную половину горизонта. Пассивная система солнечного отопления основана на непосредственном обогреве солнечными лучами и на естественной циркуляции воздуха. При этом желательно однорядное расположение помещений.

Гелиодома с активной системой

Активная система, в отличие от пассивной представляет собой инженерную систему, состоящую из следующих основных компонентов:

• приемника и преобразователя солнечной энергии в тепловую (гелиоприемник);
• аккумулятора тепла;
• прибора отопления;

системы распределения тепла. Для бесперебойного теплоснабжения дома в пасмурные дни предусмотрен дублер (газовый или электрический).

Активная система отличается многофункциональностью, ее можно использовать для отопления, охлаждения и горячего водоснабжения. Это явилось одной из причин преобладания гелиодомов с активной системой. В этих домах нет определенных требований к взаиморасположению помещений. Однако архитектура (экстерьер) гелиодомов этого типа определяется характером расположения гелиоприемников по отношению к объемной структуре здания.

Гелиодома с интегральной системой

В этих домах эффективность и гибкость активной системы сочетается с надежностью и простотой пассивной системы.

Выводы и рекомендации

При проектировании гелиодомов следует учитывать комплекс гелиотехнических факторов:

• коэффициент гелиообеспечения К1г.п;
• угол наклона гелиоприемника ;
• теплоустойчивость зданий. На стадии формирования объемно-планировочной структуры здания К1г.п следует принимать=0,5...0,65. Угол наклона гелиоприемника рекомендуется принимать в зависимости от назначения гелиосистемы:
• для круглогодичного использования = +10...15°., где - широта местности;
• для теплого периода года = ;
• для гелиоотопления = +20°.

Объемно-планировочную структуру гелиодома следует предусматривать компактной, с наименьшей площадью наружных стен на единицу отапливаемого объема.

Гелиодома с пассивной системой отличаются простотой исполнения, надежностью, небольшой стоимостью. При этом в холодный период система обеспечивает существенную долю теплопотребности здания.

Большинство существующих гелиодомов с пассивной системой построено с однорядным размещением жилых комнат вдоль южной стены гелиоприемника. Общая комната, как правило, ориентируется на гелиофасад; в двухярусных домах она часто выполняется двухсветной, что облегчает доставку теплого воздуха в комнаты северной ориентации и создает своеобразие архитектурного решения пространства.

Введение в проектирование солнечного дома

Солнечная энергия относится к возобновляемым видам энергии. Она с давних пор используется человеком. В последнее время в связи с обострением проблем экономии энергоресурсов и защиты окружающей среды интерес к ее использованию резко возрос.

Интерьер солнечного дома Nautilus.

Солнечная энергия может быть преобразована в механическую, электрическую и тепловую энергию, использована в химических и биологических процессах. Солнечные установки находят широкое применение в системах отопления и охлаждения зданий, получения горячей и опреснения морской воды, сушки материалов и сельскохозяйственных продуктов.

Серьезное внимание следует уделять установкам солнечного горячего водоснабжения, поскольку их легко построить и применять в личном подсобном хозяйстве.

Специалистами AIA и HUD по уровню использования ресурсов окружающей среды выделяются несколько типов жилых зданий:

• энергетически эффективное здание, теплопотери которого сведены к минимуму за счет выбора оптимального объемно-планировочного решения и усиленной теплоизоляции;
• энергетически эффективное здание с усиленным поглощением солнечной радиации, но без устройств для аккумулирования полученного тепла;
• здание с минимальными энергопотерями, имеющее специальные системы поглощения, распределения и аккумулирования тепла (солнечный дом).

В соответствии с рекомендациями HUD и AIA, к первому типу принадлежат все вновь проектируемые дома, так как этого требует новый экологический подход к проектированию жилой среды. Здания второго типа эффективно функционируют во всех районах США, хотя и требуют некоторого увеличения стоимости строительства. Здания третьего типа целесообразно строить в благоприятных климатических условиях, так как применяемые в них технологические устройства значительно удорожают строительство. В настоящем обзоре термин «солнечный дом» употребляется применительно ко всем зданиям, в том или ином виде использующим солнечную энергию, как это принято в отечественной литературе.

Первым этапом проектирования солнечного дома считается выбор оптимальной формы здания. Как правило, рекомендуется компактная, близкая к квадрату форма плана с минимальным периметром наружных стен. Показателем компактности служит коэффициент, равный отношению площади наружных стен к внутреннему объему здания. Для уменьшения поверхности наружных стен могут использоваться цилиндрические, полусферические и другие нетрадиционные формы. Для уменьшения энергопотребления пересматриваются многие нормативы проектирования ограждающих элементов здания, усиливаются их теплоизолирующие свойства путем применения более совершенных изоляционных материалов, ликвидации инфильтрации и продувания через дверные и оконные проемы, применения тройного остекления в холодных районах. Большой эффект дает дифференциация помещений по энергопотребностям и режиму эксплуатации. Малоотапливаемые помещения (шкафы, кладовые, санузлы, гаражи и др.) рекомендуется размешать вдоль северной стены как буферные элементы.

Особое значение при проектировании солнечного дома приобретают планировка участка и правильная ориентация. Для эффективного использования солнечной радиации южная стена или кровля жилого дома должны облучаться прямыми солнечными лучами с 9.00 до 15.00 даже в самый неблагоприятный день.

Для этого солнцевоспринимающий фасад должен быть ориентирован на юг с отклонением не более чем на 10-20 градусов. В тесной городской застройке возникает юридическая проблема защиты южных фасадов солнечных домов от затенения.

В летнее время в большинстве районов требуется усиленная естественная вентиляция здания для защиты от перегрева. Рекомендуемый ориентировочный воздухообмен в солнечном доме составляет 0,5 от общего объема здания в час. Хорошая организация воздушных потоков в здании является основой распространения полученного тепла по помещениям за счет естественной конвекции. Это достигается созданием вертикальных воздушных потоков в двусветных пространствах атриумов, холлов, повышенных частях жилых комнат. Использование принципа «солнечной трубы», положенного в основу всех этих решений) является причиной обилия в американском жилище двухсветных пространств, верхних окон, фонарей верхнего света.

Организация усиленной естественной вентиляции здания:
1 — остекление южного фасада; 2 — массивные перекрытия и полы;
3 — фонарь верхнего света («солнечная труба») с регулируемыми вентиляционными отверстиями.

Выполнение перечисленных выше мероприятий практически не удорожает строительство, а лишь оптимизирует его результаты. Только сведя таким образом к минимуму энергопотребности здания, можно думать о проектировании каких-либо технологических устройств.

По способу преобразования солнечной энергии наиболее распространено разделение солнечных систем на пассивные и активные. Их подробная характеристика, соответствует принятым в отечественной литературе классификациям.

Пассивные системы используют модификацию традиционных элементов здания для накапливания и распределения тепла. Они требуют незначительного дополнительного оборудования и поэтому более экономичны, хотя и недостаточно производительны. Для эксплуатации их не требуется специального обслуживающего персонала.

Активные системы , даже простейшие, включают значительный арсенал технических средств (плоские водяные и воздушные коллекторы, специальные аккумуляторы тепла, системы распределения тепла и контроля за теплопоступлением), что удорожает строительство и требует квалифицированного монтажа. В реальной практике мы обычно встречаемся с комбинацией различных систем и планировочных приемов.

Обращенное на юг окно в сочетании с тепловой массой здания и изолирующими ставнями является потенциально самой простой и в то же время наиболее удобной системой солнечного отопления. Также несложными являются термосифонные воздушные коллекторы или солнечные водонагреватели. В ту же категорию попадают «Скайтерм» Гарольда Хэя, стена из цилиндров Стива Баэра и бетонная стена Тромба-Мишеля. Простые системы необязательно наиболее эффективные (хотя, нередко они достаточно эффективны), но вполне вероятно, что при продолжительном сроке службы они требуют меньшего расхода строительных материалов и меньше энергии для своего возведения, эксплуатации и ремонта.

Помимо вышеприведенных примеров простейшая система солнечного отопления использует коллекторы, которые работают только во время солнечного сияния и когда здание нуждается в тепле. Такие коллекторы можно на зиму устанавливать на открытых площадках около дома, а летом демонтировать. Их можно прикреплять к стенам и крышам существующих зданий. В любом случае воздух из зданий подается в коллектор, нагревается солнечными лучами и затем поступает снова в помещение. Вентилятор включается по сигналу разности двух температур. В процессе работы системы посылающий этот сигнал датчик определяет, светит ли солнце и достаточно ли нагрет коллектор, чтобы нагреть воздух до нужной температуры; второй прибор определяет, нуждается ли помещение в тепле или нет. Этот чувствительный прибор должен быть настроен на верхний предел термостата, поскольку солнечное тепло с воздухом должно поступать в помещение тогда, когда его температура достигнет такого уровня, чтобы воспользоваться преимуществом использования энергии солнца, когда оно светит (естественно, этот процесс может осуществляться вручную путем простого включения или выключения вентилятора). Поскольку в этом режиме работы не предусматривается аккумулятор тепла для его дальнейшего использования, то здание должно действовать как контейнер теплоаккумулятора. Таким образом, оно должно нагреваться до такой температуры, которую могут выдержать находящиеся в нем люди. Чем массивнее здание, тем больше тепла оно может запасти, тем дольше оно может обходиться без тепла после захода солнца или появления облачности и тем выше будет общий КПД этой простой системы. Покрытые землей и подземные здания с изоляцией, находящейся между бетоном и грунтом, очень близки к этим простым системам, поскольку массивные бетонные конструкции хорошо аккумулируют тепло.

Система следующего уровня сложности накапливает солнечное тепло в теплоаккумуляторе. Если помещение нуждается в тепле, хотя солнечная энергия на здание поступает, то включается накопившая тепло отопительная система. Однако в идеале приток солнечного тепла через окна должен удовлетворить потребность в отоплении и во время работы коллектора. Дублирующая отопительная система совершенно отделена от системы сбора и распределения солнечного тепла в целях упрощения всего комплекса. Когда солнца нет и аккумулятор «заряжен», потребность дома в тепле удовлетворяется в первую очередь за счет солнечного аккумулятора. Если этого недостаточно, то включается дублирующая система отопления.

Типологические исследования американских специалистов позволяют объединить все виды пассивного энергообеспечения в 3 основных группы:

• прямой обогрев помещений через различные типы остеклений южного фасада: витражи и окна, фонари верхнего света, вертикальные окна, расположенные в верхней части двусветного пространства и др. (direct gain);
• нагревание наружного термального массива типа стены Тромба (indirect gain);
• нагревание иэолированного объема, теплый воздух из которого затем распространяется по всему зданию (isolated gain).

Прямой обогрев — наиболее простой, исторически сложившийся вид солнечного отопления. Он требует ориентации основных помещений на юг. Избытки тепла аккумулируются внутренним термальным массивом: кирпичными или каменными полами, внутренними стенами, каминами, емкостями с водой или другими жидкостями. Оптимальное расположение массива — в зоне непосредственной радиации, что в несколько раз увеличивает его аккумулирующую способность. Отсюда необычное расположение каминов и просто массивных элементов: непосредственно в структуре витража, сразу за остеклением.

Ориентировочно рекомендуется на 1 м2 остекления иметь 1 м3 термального массива с высокой теплопоглощающей поверхностью.

Необходимым элементом в солнечных системах этого типа является надежная система теплоизоляции и солнцезащиты помещений. Для этого используются стационарные или подвижные жалюзи, зашторивание, специальные занавеси, свесы кровель и пр.

Нагревание наружного термального массива широко используется в жилых домах с пассивными солнечными системами. Наиболее известный вариант этого массива — так называемая стена Тромба представляет собой бетонную, кирпичную или каменную стену, размещаемую на южном фасаде и окрашенную в темный цвет. На небольшом расстоянии от стены выполняется стеклянная облицовка. Теплоносителем является воздух, нагреваемый в прослойке между стеной и облицовкой. Он нагревает стену, которая постепенно излучает полученное тепло в помещение. Таким образом, в этой конструкции совмещаются функции коллектора и аккумулятора. Для циркуляции воздуха имеются специальные клапаны.

Нагрев изолированного остекленного объема практически является модификацией прямого обогрева, но в американской специальной литературе выделяется особо в силу чрезвычайной распространенности этого приема. Остекленный объем теплицы, атриума, оранжереи может примыкать к южному фасаду дома, либо встраиваться в него. Нагреваемый в теплице воздух распространяется по остальным помещениям путем естественной конвекции или по каналам с механическим побуждением и несложной системой датчиков. Обычно это термостат, который, регулирует открытие клапана, когда температура воздуха в теплице достигает требуемой. Аккумулирование тепла осуществляется внутренним термальным массивом аналогичным уже описанным. Помещение теплицы или атриума может быть полностью изолировано от дома. При правильной организации режима эксплуатации оно может использоваться для нужд семьи. Можно считать атриум (зимний сад) важнейшим элементом солнечного дома, который служит буферной зоной между интерьером и наружной средой.

Отопление зданий при помощи пристроенных оранжерей широко используется при реконструкции жилых домов, даже многоквартирных, особенно для семей с низким доходом.

Обслуживание пассивных систем в малоэтажном жилом доме должно быть очень простым, так как часто владельцы не в состоянии справиться со сложными устройствами. По мнению американских специалистов, владелец должен тратить на это не более 15 минут в день (открыть и закрыть жалюзи, поднять рулонную теплоизоляцию, открыть или закрыть вентиляционное отверстие). Тем не менее, опросы, проводимые ASES, показывают, что многие домовладельцы даже это считают для себя обременительным, несмотря на предлагаемые государством дотации.

При детальном проектировании зданий (ориентация, инсоляция и т. д.) должны также учитываться по возможности энергетические требования. «Солнечные дома» необходимо проектировать очень тщательно, и этот принцип должен соблюдаться в мельчайших деталях.

Вот основные правила, которых следует всегда придерживаться:

• строить с учетом климата и изучать естественные условия;
• проект, не учитывающий сохранение энергии, в большинстве случаев не имеет успеха и всегда неэкономичен;
• хорошая инсоляция всего здания обеспечивает снижение его энергетических потребностей;
• значение R для стен и крыши должно составлять не менее 5;
• применять по возможности тройное остекление;
• располагать отверстия и солнечные коллекторы с южной стороны и правильно ориентировать здание;
• избегать затенения южного фасада здания;
• учитывать взаимосвязь эстетических и технических сторон при проектировании солнечных коллекторов и аккумуляторов тепла;
• учитывать, что технически и конструктивно многократное использование энергии всегда находит применение в доме (отработанная вода, освещение и т. д.);
• предусматривать защиту дома от холодного ветра (деревьями, склонами, тепловыми буферными зонами и т. д.);
• в ветреных районах широко использовать мощность ветрогенераторов;
• тщательно рассчитывать оптимальное соотношение между объемом здания и наружной поверхностью (максимально возможный объем при наименьшей поверхности);
• предусматривать проектирование тепловой буферной зоны (т.е. двойные двери, крытые террасы и др.);
• использовать редкое физическое явление экзотермии (теплоотдачи);
• использовать термические свойства аккумуляторов здания с точки зрения оптимального решения резервуара для возмещения дневных (ночных) теплопотерь и удовлетворения сезонных тепловых энергетических требований;
• учитывать оптимальное соотношение комфортной, автономной и наружной энергий;
• уменьшать теплопотери через окна, увеличивая величину R (окно днем обеспечивает нас меньшим количеством тепла, чем теряет его ночью. Если окна ночью изолировать, положительный тепловой баланс можно получить через окна южного фасада дома).

В американской практике в «холодных» районах, давно уже строятся суперизолированные дома с тройным остеклением северных фасадов и усиленной теплоизоляцией наружных поверхностей. Для всех климатических районов определяются оптимальная форма здания, ориентация основных помещений, особенности построения жилой ячейки.

В процессе этих поисков возникают своеобразные объемно-планировочные решения, представляющие интерес не только для специалистов в области гелиотехники, но и для проектировщиков жилища: суперкомпактные дома, заглубленные в грунт, и глинобитные здания, различные варианты вертикальной организации внутреннего пространства по типу повышенного атриума и др. Большинство из них не имеют аналогов в отечественной практике, даже при наличии сходных природно-климатических условий. Традиционные дома оборудуются теплицами, световыми фонарями, массивными элементами, аккумулирующими тепло. Своеобразно решаются вопросы организации естественного освещения и вентиляции. Подобный путь совершенствования теплофизических характеристик и структуры дома особенно перспективен в районах с холодным климатом, составляющих большую часть территории России.

В нашей стране, с ее разнообразием природно-климатических условий, вообще нельзя говорить о солнечном доме как некоем однозначном понятии. Недаром в отечественной литературе все чаще появляются термины «энергоактивное здание», «энергоэкономичное здание». Энергетически эффективное здание в районе Средней Азии, оборудованное различными технологическими устройствами для накопления солнечной радиации, будет коренным образом отличаться от такого же здания на Крайнем Севере, где вообще может не быть технологических устройств, но компактная планировка, конструктивное решение и выбор строительных материалов будут направлены на сведение к минимуму теплопотерь. Тут уместно вспомнить парадоксальное на первый взгляд высказывание Д.Уотсона о том, что в некоторых случаях идеал солнечной энергетики не дом с оптимальной отопительной системой, а дом, в котором отопительная система не нужна вообще.

К сожалению, практически во всех регионах нашей страны жилые здания не могут функционировать без отопительных устройств. Переход на альтернативные решения должен быть обеспечен созданием индустриальной базы и квалифицированными кадрами. С этой точки зрения ориентация на первоочередное внедрение систем горячего водоснабжения как наиболее автономной части энергообеспечения дома безусловно правильна. Солнечный коллектор, различные типы мобильных теплоизоляционных устройств, аккумуляторов тепла должны стать такими же привычными элементами жилого дома, как радиатор традиционного отопления. Только после этого можно решить более сложную задачу использования солнечной энергии и для отопления здания.

В солнечных жилых домах редко встречается одна какая-либо система в чистом виде. К упомянутым типам пассивных систем обычно присоединяются несколько коллекторов активного типа, хотя бы для горячего водоснабжения. В большинстве солнечных домов имеется дублирующий источник энергообеспечения.

Важнейшей задачей американские специалисты считают выработку методики оценки вклада солнечной системы в энергетический баланс здания. В окончательном виде доля солнечной энергии обычно выражается в процентах, соответствуя коэффициенту замещения нагрузки, используемому в наших расчетах. В публикуемых проектах солнечных жилых домов с комбинацией пассивных и активных систем доля солнечной радиации в удовлетворении энергопотребностей дома колеблется от 80% (в районах с максимальным уровнем радиации) до 40% (в северных районах). Это дает возможность хотя бы ориентировочно определять эффективность действия солнечной системы.

В основу расчетов кладется не непосредственная, сиюминутная экономия, а стоимостный анализ на протяжении всего срока функционирования системы, который ориентировочно составляет 20 лет. В работе Д.Уотсона приводится сопоставление стоимости функционирования обычного и солнечного домов за этот срок. Оно показывает, что, хотя применение солнечной системы дает увеличение капитальных затрат ва строительстве на 10%, это увеличение компенсируется сокращением на 60% расходов на отопление. Конечная экономия в этом случае составила 18%. По данным публикаций ASES, затраты на традиционное топливо при использовании солнечной системы могут быть сокращены на 50-70% при увеличении капитальных затрат на строительство всего на 3%. Однако главным достижением американские специалисты считают все же социально-экологический эффект.

Простой расчет солнечной отопительной системы. Введение

Как правило, в доме с пассивным солнечным отоплением одновременно используется несколько типов систем, например, пристроенная к южному фасаду здания гелиотеплица (оранжерея, зимний сад), южная остекленная теплоаккумулирующая стена Тромба и солнцеулавливающие окна южной ориентации (как например, в доме Чемпионов).

При разработке технического задания и эскизном проектировании пассивной гелиосистемы отопления учитываются самые общие ограничения, налагаемые на систему следующими факторами:

• географическое местоположение здания;
• назначение здания;
• размеры здания;
• допустимая стоимость;
• располагаемые или необходимые материалы.

Последовательность работ:

1. Эскизная проработка нескольких вариантов гелиосистемы, заканчивающаяся выбором предпочтительного варианта.
2. Разработка детального проекта и принятие решения относительно:
   • расположения комнат;
   • размеров комнат;
   • ориентации здания;
   • выбора материалов;
   • уточнения всех размеров (В результате выполнения этой второй стадии проектирования получается вполне конкретная конструктивная разработка здания. Иногда на этой стадии разрабатываются конкурирующие варианты, например отличающиеся различными архитектурно-планировочными решениями или используемыми строительными материалами, с учетом экономических и теплотехнических факторов. Это та стадия проектирования, на которой принимаются все основные архитектурные и инженерные решения).
3. Выполнение рабочих чертежей со всеми необходимыми деталями — с указанием размеров, материалов, т.е. со всем, что требуется для осуществления строительства здания с пассивной гелиосистемой.

Относительная площадь солнцеулавливающих поверхностей в различных климатических зонах может составлять 10...100% площади отапливаемых помещений. При это за счет использования солнечной энергии обеспечивается обычно определенная доля f (10...80%) тепловой нагрузки отопления и соответственно уменьшается расход теплоты от топливного источника. В случае использования подвижной тепловой изоляции, закрывающей в ночное время лучепрозрачные поверхности, теплопотери здания значительно снижаются и эффективность гелиосистемы возрастает в 1,5...2,5 раза.

При расчете пассивных гелиосистем необходимо определить площадь светопрозрачных поверхностей наружных ограждений здания, используемых для улавливания солнечной энергии, и массу теплоаккумулирующих элементов пола, стен, потолка.

Как правило, эти элементы выполняются из бетона, но для аккумулирования теплоты могут также использоваться емкости, заполненные водой. При этом удельные масса и объем теплоаккумулирующих элементов, отнесенные к 1 м2 площади остекленных поверхностей, ориентированных на юг, определяются в зависимости от доли f (%) солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки отопления как mак=C*f; vак=Cоб*f.

Значения коэффициентов определяются видом теплоаккумулирующего элемента. Так, для емкости с водой C=3 кг/(%*м2) и Cоб=0,003 м2/(%*м2), для бетонной или каменной стены (пола) — соответственно 15 и 0,0075.

Следует отметить, что величина f практически соответствует процентному снижению расхода теплоты от обычного топливного источника. Так, например, если требуется снизить теплопотребление дома на 40%, что соответствует значению f=40%, необходимые масса и объем водяного аккумулятора теплоты составят соответственно 120 кг/м2 и 0,12 м3/м2, а бетонной стены (пола) 600 кг/м2 и 0,3 м3/м2. При f=10...80% удельный объем vак, отнесенный к 1 м2 площади солнцеулавливающих поверхностей южного фасада, равен для емкостей с водой 0,03...0,24 и для бетонной стены (пола) 0,08...0,6 м3/м2.

Рассмотрим пример оценки массы теплоаккумулирующих элементов дома жилой площадью 120 м2 при условии, что требуется снизить теплопотребление за счет солнечной энергии на 60% и что площадь светопрозрачных поверхностей, улавливающих солнечную энергию, равна 40 м2. Аккумулирование теплоты осуществляется в бетонном полу. В соответствии с приведенными выше данными необходимый удельный объем теплоаккумулирующего бетонного пола составит Vак=Cоб*f=0,0075*60=0,45 м3/м2, а всего требуется Vак=40*0,45=18 м3 бетона. Это означает, что пол должен иметь толщину 18/120=0,15 м.

Необходимым условием эффективного функционирования пассивной системы отопления является рациональное размещение теплоаккумулирующего элемента, обеспечивающее его облучение Солнцем в течение как минимум 4 ч в день. Для этого он должен быть размещен непосредственно вблизи остекления.

Как должно быть ориентировано здание с пассивным использованием солнечного излучения для отопления?

Наилучшая ориентация здания — южная, однако допускается отклонение фасада здания до 30° к востоку или западу.

• системы прямого улавливания солнечной энергии
• стена Тромба и примыкающая гелиотеплица
• масса теплоаккумулирующих элементов и их размещение

Расчет солнечного отопления. Прямое улавливание солнечной энергии

В пассивных гелиосистемах этого типа улавливается солнечное излучение, поступающее внутрь здания через остекленные поверхности окон в южной стене. Для наилучшего использования солнечной энергии окна южной ориентации должны иметь определенную площадь. Оптимальная величина удельной площади всех южных окон ок, отнесенная к 1 м2 жилой площади дома, зависит от средней температуры наружного воздуха в зимний период (точнее, в декабре-январе) Tв и от степени теплоизолированности дома.

Таблица 1.
Оптимальная величина удельной площади всех южных окон в системе прямого улавливания солнечной энергии

Температура наружного воздуха зимой Tв, °C	-10	-7	-4	-1	2	5	7
Удельная площадь южных окон ок, м2/м2 в стандартном жилом доме	0.44	0.4	0.35	0.3	0.26	0.2	0.17
Удельная площадь южных окон ок, м2/м2 в доме с улучшенной теплоизоляцией	0.32	0.28	0.25	0.2	0.16	0.14	0.12

 

В некоторых зданиях предусматривается остекление части крыши или южной стены чердака, сообщающейся с отапливаемыми помещениями.

Пример 1.
Рассчитать площадь остекленной поверхности южного фасада дома площадью 100 м², необходимую для обеспечения 50% тепловой нагрузки отопления. Дом оснащен пассивной системой прямого улавливания солнечной энергии, находится в Крыму, а его южный фасад не затеняется. Для данного местоположения дома при относительной площади остекления, приходящейся на 1 м² жилой площади дома, равной 0,18 м²м², обеспечивается снижением теплопотребления на 18% (без применения теплоизоляции окон в ночное время) и на 44% (с применением тепловой изоляции), а при ок=0,36 м²/м² — соответственно на 24 и 68%. Построив график линейной зависимости между ок и снижением теплопотребления (%), можно найти такое значение ок, которое соответствует заданному значению (50%) снижению теплопотребления. Получаем ок=0,225 м²/м² в случае использования тепловой изоляции в ночное время. Требуемая площадь остекления равна Aок=ок*Aпол=0,225*100=22,5 м².

Количество солнечной энергии, пропущенной через окно внутрь помещения за определенный промежуток времени (час, день), определяется количеством солнечной энергии, поступающей на вертикальную поверхность в данной местности с учетом ориентации и возможного затенения окна, а также его пропускательной способности.

В таблице приложения приведены значения суточных количеств солнечной энергии E, поступающей на горизонтальную поверхность, и Eпр, пропущенной через окно в вертикальной стене различной ориентации в ясный день для 21 числа каждого месяца на широте 40...56° с.ш. При этом величина Eпр отнесена к 1 м2 площади окна.

С учетом теплопередачи через окно общее количество солнечной энергии (МДж/дн), пропущенной через окно за день, определяется по формуле

Qост=[Eпр*Kзат±K*(tв-tн)]*Aок, где
Eпр — количество пропущенной солнечной энергии, МДж/м2 в день;
Kзат — коэффициент затенения окон (табл.2);
K — коэффициент теплопередачи через окна, Вт/(м2*K);
tв — температура внутреннего воздуха;
tн — температура наружного воздуха;
Aок — площадь солнцеулавливающего остекления южной стены, м2.

Таблица 2.
Коэффициент затенения при толщине стекла 3 мм

Вид остекления	Окна без штор	Жалюзи	Светлые шторы	Темные шторы
Одинарное остекление	1	0.55	0.55	0.7
Двойное остекление с воздушным зазором 8 мм	0.8	0.5	0.47	0.57

 

Расчет количества солнечной энергии, проходящей через окна, за средний облачный день выполняется по формуле

Qокнобл=*Qокнясн=*Eпроп*Kзат*Aок, где - коэффициент, учитывающий ослабление плотности потока поступающей солнечной энергии в облачный день по сравнению с ясным днем (для ясного дня =1).

Пример 2.
Рассчитать количество солнечной энергии, поступающей через окно с двойным остеклением площадью 8 м2 в средний облачный день 21 января в доме, расположенном на широте 48° с.ш.

Через одинарное остекление на южной стороне дома за ясный день 21 января на широте 48° с.ш. проходит 15,91 МДж/м2 в день. Коэффициент затенения берем из табл.2, для двойного остекления без штор Kзат=0,87. Для среднего облачного дня принимаем e=0,6. Количество солнечной энергии, пропущенной окном с двойным остеклением за средний облачный день, равно

Qокнобл=0,6*15,91*0,87*8=66,44 МДж.

Расчет солнечного отопления. Стена Тромба и гелиотеплица

Требуемая площадь поверхности (м²) остекленной южной теплоаккумулирующей стены Тромба определяется по формуле

Aст=αст*Aпол.

Аналогичная формула используется для пристроенной к южному фасаду здания гелиотеплицы (оранжереи, зимнего сада)

Aтеп=αтеп*Aпол.

Значения удельной площади стены Тромба ст и пристроенной к южной стене гелиотеплицы теп, отнесенные к 1 м² площади отапливаемых помещений, зависят от средней для зимнего периода (точнее, для декабря и первой половины января) температуры наружного воздуха в местности, где расположен дом, и материала, в котором происходит аккумулирование теплоты.

Таблица 3.
Удельная площадь остекления стены Тромба αст и гелиотеплицы αтеп, отнесенная к 1 м² площади отапливаемых помещений дома (м²/м²)

 

В табл.3 приведены значения удельной площади поверхности остекления стены Тромба ст и примыкающей к южной стене дома гелиотеплицы (оранжереи, зимнего сада) в зависимости от температуры наружного воздуха зимой Tв и способа аккумулирования теплоты. Толщина теплоаккумулирующей стены зависит от вида строительного материала, из которого она сделана. Так, каменная стена должна иметь толщину 200...300 мм, кирпичная — 250...350 мм, а бетонная — 300...450 мм. Стена, составленная из емкостей с водой, должна иметь толщину не менее 150 мм. Суточные колебания температуры воздуха внутри помещений с увеличением толщины стены уменьшаются. Так, при использовании бетонной стены температура воздуха колеблется в пределах ± 7°C при толщине стены 200 мм, ± 4°C при толщине стены 300 мм, ± 2,5°C при толщине 500 мм и ± 1°C при толщине 600 мм. Скорость распространения теплоты в стене определяется отношением коэффициента теплопроводности материала к его объемной теплоемкости: она тем выше, чем больше это отношение. При этом стена может иметь большую толщину.

Пример 3.
Определить площадь стены Тромба, необходимую для покрытия за счет солнечной энергии 50% тепловой нагрузки отопления помещения площадью 40 м² при средней температуре наружного воздуха в зимние месяцы 0...2°C.

По табл.3 находим среднее значение ст=0,475 м²/м² при Tв=2°C. Для покрытия всей тепловой нагрузки требуется бетонная стена Тромба площадью Aст=αст*Aпол=0,475*40=19 м². Для обеспечения 50% тепловой нагрузки отопления необходимо иметь бетонную стену площадью 9,5 м². При этом температура воздуха в помещениях будет поддерживаться на уровне 18°C при условии, что остальные 50% тепловой нагрузки будут покрываться топливным источником.

Пример 4.
Определить требуемую площадь поверхности остекления пристроенной к южному фасаду здания гелиотеплицы при следующих условиях:

• редняя температура наружного воздуха в зимние месяцы равна 0°C;
• площадь отапливаемых помещений 120 м²;
• доля покрытия тепловой нагрузки за счет солнечной энергии равна 0,6.

Принимаем по табл.3 для бетонной стены при 0°C теп=0,83. С учетом заданной доли солнечной энергии в обеспечении тепловой нагрузки получаем требуемую площадь южной поверхности остекления гелиотеплицы

Aтеп=0,83*0,6*120=59,76 м².

 

Расчет солнечного отопления. Масса теплоаккумулятора и его размещение

Поступающая через светопрозрачные поверхности остекления солнечная радиация поглощается частью внутренних поверхностей отапливаемых помещений здания или отражается или на другие внутренние поверхности. Энергия, поглощенная поверхностью, передается внутрь материала путем теплопроводности. Увеличение температуры теплоаккумулирующих элементов, вызываемое поглощением солнечной энергии, может быть приближенно определено по формуле

t=Qпогл/(V*C’), где Qпогл — количество поглощенной энергии, Дж;
V — объем теплоаккумулирующего элемента, м³
C’ - удельная объемная теплоемкость материала, Дж/(м³*°C).

Поглощательная способность поверхности зависит от материала, из которого она сделана, и ее цвета. При падении солнечных лучей по нормали к поверхности поглощательная способность различных материалов имеет следующие значения:

• бетон - 0,6;
• красный кирпич - 0,68;
• гранит - 0,55;
• песчаник - 0,54;
• черепица - 0,69;
• древесина (сосна) - 0,6.

Поглощательная способность зависит также от цвета поверхности:

• белый - 0,18;
• желтый - 0,33;
• темно-красный - 0,57;
• коричневый - 0,79;
• серый - 0,75;
• черный (матовый) - 0,96;
• светло-зеленый - 0,5;
• темно-зеленый - 0,88.

Эффективность пассивных гелиосистем отопления зданий существенно зависит от массы теплоаккумулирующих элементов и их размещения в здании. Увеличение суммарной теплоемкости солнцеулавливающих теплоаккумулирующих элементов, отнесенной к 1 м² площади остекленных поверхностей здания, повышает эффективность пассивной гелиосистемы прямого улавливания солнечной энергии до определенного предела. При C=175...225 Вт*ч/(м²*°C) график зависимости эффективности системы от общей теплоемкости стремится к горизонтальной линии, т.е. достигается максимальная эффективность. Поэтому минимальная масса теплоаккумулирующих элементов соответствует значению суммарной теплоемкости C, отнесенной к 1 м² площади остекленных поверхностей, пропускающих солнечную энергию внутрь здания, равному 175 Вт*ч/(м²2*°C). При больших значениях массы теплоаккумулирующих элементов вся или почти вся уловленная солнечная энергия полезно используется, поглощаясь теплоаккумулирующими элементами, и не происходит перегрева здания, а суточные изменения температуры воздуха внутри помещений будут небольшими. Верхний предел массы всех теплоаккумулирующих элементов определяется технико-экономическим расчетом.

Пример 5.
Рассчитать требуемый суммарный объем теплоаккумулирующих элементов из бетона [C’б=522 Вт*ч/(м²*°C)] и в виде емкостей с водой [C’в=1163 Вт*ч/(м²*°C)] при их суммарной теплоемкости, отнесенной к 1 м² солнцеулавливающей остекленной поверхности, равной C=200 Вт*ч/(м²*°C) для дома с площадью остекления южного фасада Aост=40 м². Объем теплоаккумулирующих элементов из бетона равен

Vб=C*Aост/C’в=200*40/1163=6,88 м³.

Теплоаккумулирующие элементы следует размещать таким образом, чтобы они могли непосредственно получать солнечное излучение или поглощать излучение, отраженное другими поверхностями интерьера. Наилучшим твердым теплоаккумулирующим материалом является бетон, затем следуют кирпич, дуб, сосна, гипс. Теплоаккумулирующие элементы могут служить ограждениями здания, т.е. его стенами, полом, потолком. При этом наружная поверхность этих элементов должна быть теплоизолирована. Если толщина теплоаккумулирующего элемента равна 50 мм, то требуемая площадь поверхности элемента, отнесенная с 1 м² светопрозрачного ограждения (остекления южного фасада), составит для бетона 7 м², кирпича 8 м², дуба 11 м², сосны 13 м², гипса 21 м². При толщине бетона 100 мм достаточно 5 м², а при толщине 200 мм — 3 м².

Эти данные относятся к элементам, непосредственно поглощающим солнечное излучение, т.е. они должны быть размещены так, чтобы солнечное излучение попадало на них не менее 4 ч в день. В случае, когда теплоаккумулирующие элементы (потолок, стены) расположены так, что на них не попадает прямое солнечное излучение, и они нагреваются за счет отраженного солнечного излучения и излучения внутренних поверхностей или конвективного теплообмена с воздухом, толщина материала или площадь поверхности теплоаккумулирующего элемента, отнесенная к 1 м2 площади остекления южного фасада, должна быть приблизительно в 2 раза больше, чем в первом случае.

Третий вариант размещения теплоаккумулирующих элементов соответствует случаю, когда они не являются частями ограждения и строительных конструкций, а установлены внутри помещений, отапливаемых за счет прямого поступления солнечного излучения. Это могут быть емкости с водой или элементы, выполненные из строительных материалов. При этом относительная площадь освещенной солнечным излучением поверхности элемента, приходящаяся на 1 м² площади остекления, составляет 2 м² для элемента из кирпича (толщиной 200 мм) или бетона (толщиной 150 мм), а емкости с водой должны иметь объем не менее 0,3 м³ на 1 м² остекления.

Суммарная теплоемкость (Вт*ч/°C) теплоаккумулирующих элементов составляет

Cак=Aост*C1, где Aост — площадь остекления (солнцеулавливающей прозрачной изоляции), м²;
C1 — теплоемкость теплоаккумулирующего элемента, отнесенная к 1 м² площади остекления, Вт*ч/(м²*°C).

Требуемый объем теплоаккумулирующих элементов
Vак=Cак/C’, где C’ - удельная объемная теплоемкость теплоаккумулирующего материала, Вт*ч/(м³*°C).

Пример 6.
Определить требуемый объем теплоаккумулирующих бетонных элементов для помещения площадью 100 м², имеющего южные окна суммарной площадью 25 м², при минимально допустимой удельной теплоемкости 200 Вт*ч/(м2*°C).

Общая теплоемкость теплоаккумулирующих элементов

Cак=Aост*C1=25*200=5*1000 Вт*ч/°C.

Требуемый минимальный объем теплоаккумулирующих элементов из бетона

Vак=Cак/C’б=5*1000/522=9,6 м³.

Распределение этого объема теплоаккумулирующего материала может быть выполнено, если на основе плана и разреза помещения по азимуту и углу высоты Солнца определить площади пола и стены, освещаемые Солнцем в течение не менее 4 ч в день в зимний период. При заданной толщине теплоаккумулирующих элементов и выбранном материале можно определить площади поверхностей освещаемых и не освещаемых теплоаккумулирующих элементов.

Пример 7.
По данным предыдущего примера выполнить распределение массы теплоаккумулирующих бетонных элементов стен, пола и отдельно стоящих колонн.

Принять, что масса распределяется между указанными элементами в соотношении 3:2:1.

Суммарный объем теплоаккумулирующих бетонных элементов составляет 9,6 м³, а объем теплоаккумулирующих стен, пола и колонн равен соответственно 4,8; 3,2 и 1,6 м³.

Объемно- планировочные решения солнечных домов

Одноквартирные жилые дома отличаются наибольшим разнообразием объемно-планировочных решений. Благодаря свободному размещению на участке и отсутствию затенения соседними зданиями они могут иметь любую форму плана и ориентацию. Использованию в них пассивного солнечного энергообеспечения способствуют характерное для американского жилища свободное построение внутреннего пространства и отсутствие жесткой фиксации помещений в зоне дневного пребывания. Это облегчает процесс естественной конвекции нагретого воздуха, являющийся основой пассивного солнечного отопления. Кроме того, в США отсутствуют санитарные ограничения на освещение помещений, даже жилых, вторым светом, на размещение жилых комнат ниже уровня земли, а иногда и просто в земле. Все это позволяет проектировщикам с гораздо большей свободой относиться к объемно-планировочной организации жилого пространства, хотя многие решения и кажутся подчас спорными.

В специальной литературе подробно описывались американские солнечные дома, построенные в 1930-70 гг. Не рассматривая эти, уже известные здания, остановимся на постройках и проектах последних десяти лет, публикуемых в периодических изданиях HUD. Разнообразные типы одноквартирных солнечных домов можно свести к трем основным принципиальным схемам: компактной, линейно-широтной и павильонной.

Теоретически компактные жилые дома наиболее характерны для северных районов, линейно-широтные — для южных, где используется прямой, обогрев помещений, а павильонной структуры — для жаркого влажного климата, где требуется усиленное сквозное проветривание. Однако практически эти решения тесно переплетаются, так как в основу проектирования солнечного жилого дома кладется требование его максимальной термальной изолированности. В связи с этим компактные схемы рекомендуются и для жаркого климата, чтобы обеспечить минимум теплопоступлений. В особые группы выделены заглубленные в грунт дома и массивные дома для пустынных районов в силу специфичности их объемно-планировочных решений.

Переоборудование здания в солнечный дом

Использование систем солнечного отопления и охлаждения в существующих домах должно стать одной из первоочередных задач. Это обеспечит не только реальное сокращение потребностей в ископаемом топливе, но и сэкономит значительные денежные средства.

Рис. 1. Размещение солнечных коллекторов применительно к существующим зданиям:
1 — на существующей крыше или стене; 2 — коллектор; 3 — только вертикальные стеновые коллекторы (для широт выше 35°с.ш.);
4 — на пристройке к зданию; 5 — на отдельной конструкции.

Как и для новых зданий, переоборудование старых может осуществляться на различных уровнях технологической сложности, денежных и энергетических расходов и практического подхода.

Существуют три основных способа переоборудования зданий:

• крепление коллекторов к существующим или несколько видоизмененным наружным стенам или крышам домов;
• установка коллекторов на пристройку к зданию (крыльцо, гараж, новое крыло);
• строительство сооружения для размещения коллекторов отдельно от здания (отдельно стоящий сарай, гараж, амбар или сооружение, построенное исключительно для размещения коллектора.

Из-за ограничений, связанных с использованием существующих зданий, ориентация и угол наклона коллекторов могут быть неоптимальными. Часто экономические соображения ограничивают возможность изменить имеющиеся условия применения коллекторов и тем самым суживают возможности оптимизации проекта. Конструкция коллекторов, используемых для нагрева воды, обладает несколько большей гибкостью благодаря меньшему размеру коллекторов. Этому способствует и режим круглогодичного их использования, поскольку положение солнечного диска на небосводе меняется в течение 12 месяцев гораздо больше, чем во время более короткого отопительного сезона. Коллекторы для системы солнечного охлаждения с трудом достигают требуемой эффективности даже в наилучших условиях инсоляции, и поэтому по возможности должны иметь оптимальную конструкцию и размещение, что затрудняет их приспособление к существующим зданиям. Для системы солнечного отопления размер коллектора должен быть более половины площади пола здания, но не менее 10 м². Для приготовления горячей воды коллектор может быть небольшим исходя из нормы 2,5...3 м² на человека.

Ориентация коллекторов для системы отопления должна быть в пределах от юг — юго-востока до юг — юго-запада и от юго-востока до юго-запада для системы приготовления горячей воды.

Угол наклона коллекторов для системы отопления помещений (измеряемый от горизонтали) может находиться в пределах = ...( + 10...15)°, где — широта местности. Для 40°с.ш. пределы составляют 40...90°. Наклон коллекторов для системы горячего водоснабжения находится в пределах (-10)...(+25)°. Для 40°с.ш. этот диапазон составляет 30...75°.

Во всех вышеуказанных пределах сезонная или годовая общая эффективность системы будет отличаться не более чем на 10...20 % от оптимальной.

Один из самых простых способов использования солнечного тепла при существующих крышах заключается в пропускании воды поверх гонтовой поверхности. Теплоприемная поверхность должна быть как можно более черной, при необходимости окрашенной и свободной от мусора. К стропилам крепятся рамы для двух слоем остекления и конструкционного материала (например, полиэфирной смолы, армированной стекловолокном) с учетом мер для предупреждения протечек.

Крышу можно также покрыть волнистыми алюминиевыми листами, окрашенными в черный цвет и закрытыми стеклом. Вода подается через перфорированную трубу вдоль конька крыши и собирается затем в желоб. Коэффициент полезного действия такого коллектора невелик, но незначительные затраты, связанные с превращением существующей крыши в солнечный коллектор, могут оправдать невысокий КПД.

На рис. 2 показаны некоторые детали возможной констукции коллектора. Участки стен южной ориентации можно превратить в воздушные коллекторы примерно также, как это было сделано с крышами. Коллекторы водяного типа при размещении на стенах менее практичны, поскольку отсутствует наклонная поверхность, по которой вода может стекать.

Рис. 2. Переделка существующей крыши в солнечный коллектор водяного типа с открытым потоком:
1 — верхняя накладка; 2 — труба с перфорациями; 3 — два слоя стекла или другого прозрачного материала; 4 — холодная вода;
5 — фильтр (для асфальтовой крошки); 6 — нагретая вода, стекающая в желоб; 7 — конопатка (типовая);
8 — стекло; 9 — металлическая кляммера; 10 — гонт; 11 — фанера; 12 — стропило.

Во дворах вне дома коллекторы могут размещаться на отдельно стоящих конструкциях. Пример такого устройства показан на рис. 3. Прохладный воздух из дома отбирается через нижнюю часть окна в солнечный коллектор, а подается обратно в помещение через верхнюю часть окна. Устройство похоже на оконный кондиционер. Более высокая степень регулирования достигается путем подачи прохладного воздуха в коллектор из одного окна и возврата теплого воздуха в другое.

Рис. 3. Портативный солнечный коллектор воздушного типа, устанавливаемый во дворе.

При переоборудовании существующих зданий можно применить быстрый и достаточно дешевый метод установки простых солнечных коллекторов воздушного типа в оконной коробке. На рис 4, 5, 6 представлены модификации вертикальных термосифонных солнечных коллекторов. Такие коллекторы предназначены для установки в проемы существующих окон. На рис. 4 показана конструкция, приписываемая Баку Роджерсу из г. Эмбудо (Нью-Мексико, США). Прохладный воздух из помещения засасывается в коллектор нагретым воздухом, который из коллектора поступает в помещение. Вертикальный вариант этой конструкции, показанный на рис. 5, особенно приемлем для крупных зданий.

Рис. 4. Солнечный коллектор, встроенный в оконную коробку:
1 — стена дома; 2 — окно; 3 — теплый воздух; 4 — прохладный воздух;
5 — стекло; 6 — коллектор; 7 — фанера; 8 — изоляция.

Рис. 5. Вариант устройства солнечного коллектора в оконной коробке:
1 — существующая стена дома; 2 — существующее окно; 3 — нагретый воздух; 4 — прохладный комнатный воздух;
5 — стекло или пластмасса; 6 — черная пластина коллектора; 7 — пол в помещении.

Хотя коллектор в оконной коробке может быть почти любого размера , его эффективность, даже и значительная, основываясь на площади, в действительности будет мала, если размеры коллектора существенно не превышают размеров окна. Если для обеспечения 50%-ной потребности в отоплении требуется коллектор размером 25...50% от площади пола здания, то должно быть ясно, что для заметной экономии энергии требуются большие коллекторы. На рис. 6 показан коллектор значительно превышающий размеры окна.

Рис. 6. Коллектор, превышающий по размеру оконную коробку.

Трудная задача дополнения существующих зданий аккумулятором тепла была практически решена Дж. П. Гуптой и Р. К. Чопрой из лаборатории министерства обороны (г. Джодхпур, Индия). Они разработали простой солнечный обогреватель комнат не требующий механической энергии и встраиваемый в существующие здания.

Рис. 7. Простой солнечный обогреватель комнаты:
1 — холодная вода; 2 — коллектор; 3 — солнечная радиация; 4 — горячая вода; 5 — перелив; 6 — стена;
7 — фанера; 8 — изоляция (сухая трава); 9 — глинобитная крыша; 10 — джутовая изоляция; 11 — воздушный зазор;
12 — отверстие для сообщения с атмосферой и заливки; 13 — кран; 14 — стекловата; 15 — бак; 16 — подставка для бака; 17 — дверь.

Как видно из рис. 7, солнечный коллектор южной ориентации наклонно опирается на стену здания. Высокий бак с горячей водой без теплоизоляции находится в помещении, примыкая хорошо изолированной стенкой к наружной стене. В результате естественной конвекции вода циркулирует из плоского коллектора в бак и обратно в коллектор. Если в данном климате возможны отрицательные температуры, в воду добавляется антифриз. Тепло в помещение бак излучает своей передней стенкой.

Солнечные дома в Швеции

Двухэтажные жилые дома в г. Карльстаде (59° с.ш.) расположены так, чтобы не было взаимного затенения. Каждый дом поставлен на бетонное основание толщиной 150 мм с тепловой изоляцией, а стены сделаны из дерева. Дом имеет гелиотеплицу с двойным остеклением. Коэффициенты теплопотерь равны, Вт/(м²*°С):

• для стен K=0,12 (толщина слоя минеральной ваты =360 мм);
• для пола K=0,12 (=220 мм);
• для крыши K=0,08 (=550 мм);
• для окон с тройным остеклением и отражающей металллической фольгой K=1,4.

Воздухообмен осуществляется с помощью вентилятора, и система вентиляции объединена с отоплением. Кратность воздухообмена равна 0,5/ч. Зимой наружный воздух проходит через гелиотеплицу. В теплый период года (с мая по сентябрь) окна полностью защищены от попадания солнечных лучей с помощью выступов крыши. Дома потребляют очень мало энергии — 27 кВт*ч/м² в год. Для отопления дома с жилой площадью 100 м² требуется лишь 270 л жидкого топлива в год.

Реализован проект строительства жилого дома в Хальмстаде (56,7° с.ш.). Среднегодовая температура наружного воздуха +7,2°С, а его расчетная температура −16°С.

Использованы:

• тяжелая бетонная конструкция здания;
• южная ориентация;
• остекление южной стены;
• гелиотеплица;
• защита от солнечного излучения летом с помощью выступов крыши.

Коэффицинты теплопотерь равны, Вт/(м²*°С):

• для стен K=0,2;
• для пола K=0,12;
• для крыши K=0,11;
• для окон K=1,4.

Основание дома — бетонная плита на земле, несущие конструкции из бетона, остальные — из дерева. Отопление — водяное от газового котла. Вентиляция — механическая с утилизацией теплоты удаляемого воздуха с помощью теплового насоса. Площадь отапливаемых помещений 934 м², годовое потребление энергии для отопления 33000 кВт*ч. удельное потребление теплоты 35 кВт*ч/м² в год.

Солнечные дома для Аляски

Достаточно интересен пример проектных разработок трех домов для арктических деревень Аляски, где потребность в отоплении сохраняется не только весной и осенью, но и летом, а количество часов солнечного сияния в эти сезоны весьма велико. При проектировании основными предпосылками была ориентация на использование обычной техники, освоенной местными жителями, и материалов, легко обрабатываемых и доставляемых на отдаленные строительные площадки. Конструкция домов позволяет легко осуществлять расширение, вносить архитектурные изменения, которые весьма желательны в условиях однообразного ландшафта тундры.

При проектировании домов архитектор Hai-Toh Lim использовала следующие приемы объемно-планировочных и конструктивных решений:

• для защиты от оттаивания вечномерзлых грунтов деревянные столбчатые фундаменты опираются на гравийную отсыпку, а под зданиями оставлено открытое проветриваемое подполье;
• входы имеют двойные тамбуры;
• северная стена здания — минимальной высоты с окнами незначительной площади;
• стены и перекрытия каркасной конструкции с обшивкой из фанеры, теплоизоляцией из стекловолокна и воздухо- и пароизоляцией;
• отопление осуществляется печью на дровах или мазуте и пассивной солнечной системой.

Во всех проектах применено одно оригинальное решение коллекторов (рис. 1). Вместо обычно применяемой в пассивных системах массивной теплоемкой стены используется легкая каркасная панель с обшивкой из фанеры и эффективной теплоизоляцией из стекловолокна. Для увеличения абсорбирующей поверхности к наружной обшивке прибиваются «четверти» металлических консервных банок из-под напитков, обычно выбрасываемых на свалку. Все они и наружная поверхность фанеры окрашиваются в темный цвет. На расстоянии 80...100 мм от обшивки размещаются два светопроэрачных стеклопластиковых листа с зазором между ними 20...25 мм.

Pиc. 1. Koнструкция солнечного коллектора домов для Аляски:

1 — светопрозрачный стеклопластик; 2 — стекловолокно; 3 — стойки каркаса; 4 — фанера, окрашенная в черный цвет;
5 — гвозди; 6 — рейка; 7 — «четверти» консервных банок; 8 — отверстие для воздуха.

В первом проекте (2-этажном доме) нагретый воздух попадает в гравийный аккумулятор, расположенный на междуэтажном перекрытии. Отдав тепло, воздух опускается через зазор между теплоизолированной наружной стеной и панелью коллектора и снова перетекает к нагреваемой солнцем поверхности. Тепло из аккумулятора используется для нагрева воздуха в помещении и воды в бочках, установленных в гравийной засыпке.

Для большей эффективности Hai-Toh Lim предлагает установить вентилятор для направления теплого воздуха, скапливающегося под потолком второго этажа, по вертикальному вентканалу в уровень первого этажа.

Во втором проекте — доме с помещениями в трех уровнях — к коллектору вплотную примыкает вертикальный гравийный аккумулятор тепла с промежуточной вертикальной стенкой, удлиняющей путь прохождения воздухом толщи засыпки.

Третий проект — наиболее интересен. Это одноэтажное здание с двускатной крышей (рис. 2). Его размеры в плане 7,3×9,1 м. В отличие от других домов, автор относит его систему солнечного отопления к категории активных, так как здесь обязательна принудительная циркуляция воздуха.

Рис. 2. Поперечный разрез дома для Аляски (третий проект):

1 — ветровой роторный двигатель для вентилятора; 2 — вертикальный воздуховод с вентилятором; 3 — люки для нагретого воздуха;
4 — солнечный коллектор южной стены; 5 — гравийный тепловой аккумулятор; 6 — холодный тамбур-кладовая;
7 — фанера 12 мм; 8 — пароизоляция; 9 — деревянные бруски 50×50 мм; 10 — деревянные стойки 50×100 мм;
11 — фанера 15 мм, окрашенная в темный цвет; 12 — разрезанные консервные банки, прибитые к фанере;
13 — два слоя светопрозрачных стекловолокнистых пластин, зазор 18 мм.

Источниками тепла в данном случае являются также обычная печь на твердом или жидком топливе и солнечный коллектор, совмещенный с наружной южной стеной. Нагретый коллектором воздух поступает в помещение через люки (закрываемые на ночь и в холодную пасмурную погоду) под потолком и, смешавшись с теплым воздухом от печи вентилятором, направляется по вертикальному воздуховоду вниз, в подпольное пространство, заполненное гравием, аккумулирующим тепло. Отсюда оно поступает через пол и специальные зазоры вдоль стен в помещение. Благодаря такому решению достигается одна из основных целей при строительстве дома на Севере — обогрев пола и создание лучшего микроклимата.

Удачна планировка здания. С северной стороны расположена низкая неотапливаемая кладовая, через которую осуществляется вход в дом. Окон на северной стороне нет. Все это снижает теплопотери, вызываемые северными ветрами. Остальные окна с тройным остеклением и теплоизоляционными шторами.

Для всех домов применена эффективная теплоизоляция из стекловолокна. Благодаря малой массе и простоте упаковки транспортировка ее в удаленные районы не представляет трудностей. Толщина теплоизоляции не менее 20 см в наружных стенах. 25 см в нижнем перекрытии и 37 см — в верхнем. Каркас стен образуется деревянными стойками сечением 5×10 см, располагаемыми в шахматном порядке для исключения холодовых мостиков. Основные параметры домов и характеристика элементов солнечного отопления даны в табл. 1.

Таблица 1. Основные параметры домов по проектам Hai-Toh Lim
№ проекта	Размеры дома в плане, м	Общая площадь пола, м2	Суммарная площадь оконных проемов, м2	Площадь коллектора, м2	Объем гравийного аккумулятора, м2
1	6,1×7,3	89,2	10,2	22,3	9,2
2	7,3×7,3	73,0	7,0	20,1	10,2
3	9,1×7,3	53,5	5,1	14,9	8,5

 

Из табл. 1 следует, что площадь коллекторов во всех проектах равна 27,5...27,8% от площади пола. Объем аккумулятора составляет 0,10; 0,14; 0,16 м³/м² площади пола.

Солнечные дома в Канаде

Подход к решению проблемы экономии топливных ресурсов и энергии в Канаде:

• уменьшение теплопотерь зданием;
• использование энергии, выделяемой различными источниками домового тепла;
• использование пассивной солнечной энергии.

Об этом писал еще в 1980 г. Дж.Деллейр, рекомендуя канадский опыт строительства суперизолированных домов с малым потреблением энергии на отопление. Например, канадская фирма «Concept Construction» построила 20 таких домов в провинции Саскачеван, климатические условия которой характеризуются зимней расчетной температурой −34,5°С и 6,1 тыс. градусо-дней отопительного периода.

В домах «Concept Construction» предусмотрены различные конструктивные меры по сокращению теплопотерь. Основными из них являются:

• суперизоляция наружных стен и перекрытий (соответственно в 3 и 2 раза выше нормативной);
• обеспечение паро- и воздухонепроницаемости ограждений полиэтиленовой пленкой;
• применение теплообменников для нагрева поступающего свежего воздуха теплом удаляемого воздуха;
• пассивное использование солнечной энергии.

Пример планировки дома этой фирмы показан на рис. 1. В северной стене устраивается только одно окно для освещения кухни. Минимальное количество окон также в западной и восточной стенах. Предусмотрен входной тамбур. Все это сокращает теплопотери. Южная стена полностью остеклена. При этом только треть остекленной поверхности используется для естественного освещения и инсоляции общей жилой комнаты. В остальной части стены за остеклением размещена железобетонная стеновая панель толщиной 25 см с окрашенной в черный цвет наружной поверхностью (стена Тромба, рис. 2). Зазор между этой панелью и внутренним стеклом, равный 5 см, образует своего рода высокую и тонкую теплицу. Солнечная радиация, проходя через остекление, поглощается черной поверхностью бетонной стены и нагревает ее.

Рис. 1. План жилого дома фирмы «Concept Construction»:

1 — стена Тромба; 2 — двойное остекление; 3 — жилая комната; 4 — входной тамбур;
5 — лестница наверх; 6 — лестница вниз; 7 — столовая; 8 — кухня; 9 — спальня.

Рис. 2. Поперечное сечение южной стены дома фирмы «Concept Construction»:

1 — стена Тромба; 2 — холодный воздух; 3 — двойное остекление;
4 — теплоизолирующая штора; 5 — нагретый воздух.

В промежутке между стеклами (15 см) двойного остекления по всей длине фасада автоматически опускаются на ночь теплоизоляционные алюминизированные нейлоновые шторы. Они приводятся в действие электродвигателем, управляемым термочувствательвыми элементами. Это позволяет значительно сократить теплопотери здания в холодное время суток. Летом эти шторы могут использоваться для защиты помещений от перегрева. Для этого они опускаются в дневное время и поднимаются вечером. Важно разместить шторы именно между слоями остекления, что предохранит внутреннее стекло от переохлаждения и возможного оледенения.

Важным моментом является герметизация наружных ограждающих конструкций полиэтиленовой пленкой. Помимо того, что она препятствует теплопотерям за счет инфильтрации воздуха, в качестве пароизоляции предохраняет теплоизоляционный слой от намокания конденсатом внутреннего воздуха. Для системы вентиляции использован воздушный теплообменник в подвальном помещении, который позволяет извлечь из отработанного воздуха 80% тепла. Циркуляция воздуха в помещениях дома естественная. Лишь для кухни и ванной комнаты применяют вентилятор в системе вентиляционных каналов.

Стоимость типового дома площадью 98 м² с малым потреблением энергии увеличилась за счет:

• повышения стоимости южной стены;
• дополнительной теплоизоляции;
• использования воздушного теплообменника.

Применение напольных электрообогревателей вместо обычных печей также дает экономию. В итоге продажная стоимость дома (включая стоимость земельного участка) повышается на 3-5%.

В типовом 2-этажном доме фирмы «Enercon Building Corporation», имеющем жилую площадь 153,5 м² и отапливаемый подвал 83,6 м² для сокращения расходов на отопление предусмотрено:

• теплоизоляция стен в 3,2, а чердачного перекрытия в 2,6 раза выше норматива;
• утепленные ставни для всех окон, закрываемые на ночь;
• большая площадь остекления южной стены;
• полиэтиленовая воздухо- и пароизоляция;
• воздушный теплообменник;
• внутренние тамбуры у входных дверей;
• тройное остекление окон;
• воздухораспределительная система со встроенным электронагревателем.

Рис. 3. В обычном жилом доме значительная часть потерь тепла связана с прониканием холодного наружного воздуха и выходом наружу теплого внутреннего. На приведенной схеме дома «Paska House» фирмы «Enercon Building Corporation» показаны меры, принятые по значительному снижению потерь. Прежде всего дом герметизируют воздухонепроницаемыми уплотнительными материалами. При этом возникающие в доме запахи и другие загрязнители воздуха становятся проблемой. Решить ее можно путем применения вентиляторов в сочетании с воздушным теплообменником, в котором выходящий теплый воздух нагревает холодный наружный отдавая ему свыше 70% своего тепла:

1 — свежий холодный наружный воздух (-18°С); 2 — отработанный теплый внутренний воздух (22°С);
3 — вентилятор; 4 — +15,6°С; 5 — +22°С; 6 — воздушный теплообменник (тепловой рекуператор);
7 — свежий, подогретый до +15,6°С, наружный воздух смешивается в вентиляционном канале с теплым воздухом, циркулирующим внутри дома;
8 — отработанный и охлажденный до −12°С внутренний воздух;
9 — установленный в вентиляционном канале электронагреватель используется по мере необходимости.

При нагреве солнечными лучами воздуха внутри помещения выше нормы включается вентилятор, подающий теплый воздух в аккумулятор. Аккумулированное тепло используется ночью. Так как пассивная солнечная система не может нагреть равномерно все комнаты, предусмотрена воздухораспределительная система.

Лишь при наружных температурах ниже −10°С требуется периодическое включение электрического обогревателя.

Рис. 4. Общий вид суперизолированного дома «Paska House».

Принятые меры по снижению потерь энергии в суперизолированном доме «Paska House» приводят к удорожанию дома на 7...8% (без учета стоимости земельного участка). К основным статьям дополнительных расходов относятся:

• более эффективная теплоизоляция стен (R-30), состоящих из стоек 5×15 см, плит из стекловолокна и наружной обшивки слоем пенополистирола — повышение стоимости дома на 3%;
• воздушный теплообменник и система вентиляции для кухни и ванной комнаты — повышение на 2%;
• более высокое качество окон (оконные переплеты и уплотнения, обеспечивающие герметичность) — повышение на 1,5%;
• полиэтиленовая изоляция — повышение на 0,5%;
• контроль качества — повышение на 1%.

Затраты дополнительных 7...8% экономически вполне целесообразны. Строительство таких домов выгодно как домовладельцу, так и всему обществу.

Значительный интерес представляют четыре дома, построенные для индийской общины в провинции Квебек по проектам архитектурной школы университета MсGill.

Проекты предусматривают использование природных источников энергии (солнечной и ветровой), местных строительных материалов, местной рабочей силы и отходов в виде пластмассовой тары из-под напитков и других жидкостей. Два здания построены в колледже Маниту в 170 км к северу от Монреаля, один дом — в пос. Мистассини в 545 км к северу от Монреаля и еще один — около 320 км к востоку от пос. Матагами.

Отличаясь по архитектурно-планировочным решениям, все здания оборудованы системой воздушного отопления с использованием солнечной энергии. Для снижения теплопотерь северные стены всех домов имеют меньшую высоту, а для теплоизоляции стен дополнительно использован мох, в изобилии растущий в этой местности.

В системах солнечного отопления применены различные конструктивные решения. Один из домов колледжа Маниту оборудован абсорбером-аккумулятором солнечного тепла в виде массивной теплоемкой стены Тромба из бетонных блоков, которая снаружи ограждена двумя слоями прозрачного стеклопластика и шторой, закрывающейся на ночь. Люки в перекрытиях регулируют подачу нагретого воздуха в помещения.

Во втором доме воздух из коллектора направляется сверху вниз вентилятором в гравийный аккумулятор, расположенный в подвале (рис. 5). Для обогрева помещений в холодное время суток теплый воздух из аккумулятора следует по каналам, проходящим под полом, что способствует созданию более комфортных условий.

Рис. 5. Поперечный разрез дома с солнечным воздушным отоплением:

1 — коллектор; 2 — вентилятор, 3 — гравийный тепловой аккумулятор.

В других домах для аккумуляции тепла используется освободившаяся тара от напитков и нефти, заполненная водой. В Мистассини в состав дома включена еще и гелиотеплица, которая также является источником тепла.

Уменьшение тепловых затрат на отопление позволяет значительно сократить общественные капиталовложения на строительство теплоэлектростанций. Другими аргументами в пользу сокращения расхода топливных ресурсов являются:

• возможность использования топлива в качестве сырья химической промышленности;
• уменьшение попадания в атмосферу кислот при сжигании угля и двуокиси серы — при других процессах;
• сокращение загрязнения атмосферы углекислым газом, что может существенно изменить климат планеты.

Солнечный дом в Бедфорде

Солнечный дом в Бедфорде (Нью-Хемпшир, США) с солнечным коллектором «Trombe Wall» и изоляцией «Beadwall» был построен по проекту, разработанному научно-исследовательской и проектной фирмой «Total Environment Action, Inc.» с главной конторой в г.Гаррисвилл (Нью-Хемпшир).

Рис. 1. Солнечный дом в Бедфорде (Нью-Хемпшир, США):

а — поперечный разрез по южной стене: 1 — прозрачная стена с шариками изоляции;

 б — режим отопления (работа коллектора в режиме накопления тепла);

в — режим охлаждения (работа коллектора в режиме вентиляции);

г — вид на южный фасад и план:
1 — гараж; 2 — кухня; 3 — столовая; 4 — ванная; 5 — спальня; 6 — жилая комната;
7 — солнечный водонагреватель, расположенный в центре стены;

д — вид с восточной стороны;

е — вид с западной стороны.

Бетонные стены дома обвалованы землей с западной, северной и восточной сторон, а изоляция размещена между бетоном и грунтом. Пол бетонный. Весь южный фасад — комбинация окон и солнечных коллекторов. Вспомогательные источники энергии — две дровяных печи. Солнечные коллекторы представляют собой бетонные стены толщиной 300 мм, открытые для солнечных лучей в течение дня и защищенные от потерь тепла во внешнюю среду ночью изоляцией «Beadwall». Воздух циркулирует между бетоном и изоляцией. Солнечное тепло поступает также через окна и накапливается в бетонных стенах и полу. Для уменьшения потерь тепла ночью окна закрываются изолирующими ставнями. Вода для бытовых нужд предварительно подогревается, циркулируя по трубам в бетонной стене коллектора, прежде чем поступит в солнечный водонагреватель.

Солнечный дом Дугласа Балкомба

Примером жилища с объемно-планировочной структурой, модернизированной с целью повышения комфортности проживания как в летних, так и в зимних условиях с использованием солнечной энергии, служит дом, спроектированный Дугласом Балкомбом (Санта-Фе, Нью-Мексико) и расположенный на высоте 2200 м над уровнем моря.

В объемно-планировочном решении дома площадью 150 м² применен принцип обогрева жилых помещений с использованием 2-светной гелиотеплицы с площадью остекления 70 м², объединяющей все жилые помещения дома и являющейся по сути атриумом. Для сокращения теплопотерь ночью и в холодные дни, а также для защиты от летнего перегрева витраж гелиотеплицы снабжен трансформирующимися жалюзи. Наружные стены помещений, ориентированные на другие стороны горизонта, выполнены с минимальным количеством светопроемов для уменьшения теплопотерь. Дом имеет плоский солнечный коллектор площадью 38 м² с двухслойным остеклением. Аккумулирование теплоты осуществляется во внутренних стенах из камня (толщина стен 250 и 350 мм), бетонном полу теплицы и двух галечных аккумуляторах общим объемом 19 м³, размещенных под полом гостиной и столовой. Наружные стены хорошо теплоизолированы и имеют коэффициент теплопотерь 0,2 Вт/(м²*°С). Теплопотребление составляет 10 кВт при разности температур внутреннего и наружного воздуха 40°С. Около 82% теплопотребления обеспечивается за счет солнечной энергии без ущерба для комфорта. Вспомогательными источниками теплоты являются два электронагревателя общей мощностью 3 кВт.

Рис. 1. Дом Балкомба:
а — разрез;
б — план первого этажа;
в — план второго этажа;
1 — вентиляционное окно; 2 — кирпичная кладка; 3 — балкон; 4 — гравийный аккумулятор;
5 — вентилятор; 6 — теплица; 7 — столовая (гравийный аккумулятор под полом); 8 — кухня;
9 — гостиная (гравийный аккумулятор под полом); 10- ванные комнаты; 11- спальни.

Солнечный дом Чемпионов

Этот дом площадью 284,7 м² был построен в 1981 г. в Скалистых горах шт. Колорадо (США) на высоте 2500 м по проекту арх. Денниса Холлоуэя. В плане он напоминает наконечник стрелы, ориентированной на север. С северной стороны он заглублен в крутой склон, что является естественной защитой от холодных северных ветров.

На главном уровне дома расположены:

• большая общая комната с кухней;
• прихожая;
• спальня хозяев (в другом крыле дома) с гардеробной и ванной комнатами.

На нижнем уровне дома находятся:

• комната для гостей;
• мастерская;
• вспомогательные помещения.

Система солнечного отопления состоит из:

• атриума с остеклением площадью 33,5 м², служащего оранжереей;
• 2-х стен Тромба (18,6 м²), располагающихся по обеим сторонам атриума;
• больших окон (18,5 м²), ориентированных на юго-запад и юго-восток.

Солнечное тепло, помимо двух невентилируемых стен Тромба, аккумулируется в бетонных плитах главного и нижнего уровней дома, которые также стабилизируют колебания температуры в доме. На случай облачной (в течение нескольких дней подряд) погоды предусмотрен дополнительный источник тепла — две дровяных печи.

Благодаря открытым планам, раздвижным дверям и широкой лестнице, расположенной в северной части дома удалось создать эффективную систему естественного распределения нагретого воздуха рядом конвективных петель. В холодные зимние ночи окна и двери, выходящие в атриум, закрываются.

Северная (квадратная в плане) часть атриума, выполняющая функцию световой шахты, в летнее время является «солнечной трубой», охлаждающей дом. Приточный воздух при этом поступает через северные окна ванной и кухни.

Солнечный дом в Сибири

Публикуется по тексту статьи А.В. Чернышева и В.А. Чернышева с незначительными сокращениями.

Цель проводимых нами исследований — получить исходные данные для массового застройщика, желающего доступными средствами активно использовать энергию солнца для отопления помещений, теплиц, сушки сельскохозяйственной продукции, древесины в условиях Юго-Западной Сибири.

В данной статье рассматривается последний из 3-х вариантов солнечных домов, построенных нами с 1981 г. Это 2-этажный дом типа «Шалаш» площадью 40 м².

Дом обеспечивает возможность круглогодичной эксплуатации. Его обогрев осуществляется за счет солнечного воздушного коллектора, скомбинированного с достаточно емким подземным грунтощебеночным аккумулятором тепла, позволяющим запасти низкопотенциальную энергию для резервного обогрева в пасмурные дни.

Конструкция дома

Рис. 1. Солнечный дом в Сибири. Общий вид.

На заднем плане над крышей видны лопасти резервной ветровой энергоустановки.

Дом имеет размер 7×7 м, в вертикальном разрезе — это равносторонний треугольник, одна сторона которого обращена на юг. На этой южной части кровли расположены солнечные воздушные коллекторы — главный элемент энергетического оборудования солнечного дома. Они размещены в 2 яруса, на каждом этаже между стропилами и закрыты рамами с двойным остеклением.

Рис. 2. Конструкция солнечного дома. План.

Рис. 3. Конструкция солнечного дома. Разрез.

Каркасом дома служит деревянный брус сечением 150×50 мм. На нем — обрешетка с рубероидом, сверху закрытая шифером. Стены утеплены минеральной ватой слоем 150 мм. Внутри стены зашиты фанерой.

Комната на 1 этаже имеет раздвижные стены, позволяющие изменять полезную площадь от 16 м² (в разгар зимних холодов) до 25 м² (при наступлении теплого времени года).

Из внешнего тамбура лестница ведет на 2 этаж, в теплицу с разборным солнечным коллектором. Этот этаж может использоваться и в качестве жилой комнаты, сушилки и т.п.

В течение наименее солнечного сезона — с ноября по февраль — обогрев дома осуществляется всеми солнечными коллекторами. Так как коллекторы расположены ярусами по высоте, то зимой нагреваемый воздух может пройти последовательно через оба яруса коллекторов (от земли до верха теплицы). В марте, при посадке рассады, половина одного коллектора на 2-ом этаже снимается. По мере роста рассады и весеннего потепления, в апреле-мае, снимаются все ящики коллектора, и остается лишь двойное остекление верхнего этажа. В непогоду и ночью функционирующие коллекторы закрываются ставнями, утепленными пенополистиролом.

Щебеночный теплоаккумулятор

Под домом на глубине 3,5 м располагается щебеночный аккумулятор тепла емкостью 10 м3. Щебенка (размер 60...100 мм) насыпана слоями 500 мм на полки из арматурной стали. Полки разделены воздушной прослойкой 80 мм. Теплоизоляция щебеночного аккумулятора комбинированная: минеральная вата и полистирол. Для подачи в аккумулятор горячего воздуха из солнечного коллектора используется вентилятор.

Щебеночный аккумулятор расположен внутри более емкого грунтового аккумулятора емкостью 300 м³, образованного естественным грунтом внутри специальным образом окопанного и отчасти теплоизолированного пространства.

Грунтовое аккумулирование тепла

Цель создания грунтового аккумулятора тепла — создать его резерв на неблагоприятное время года.

Для создания возможности предварительного насыщения грунтового аккумулятора теплом вокруг дома по его периметру на глубине 2 м проложен кольцевой воздуховод сечением 400 см² и длиной 26 м. 2-мя колодцами с противоположных сторон сделана врезка в воздуховод.

Исследование процесса аккумуляции тепла велось измерением температуры грунта в 3-х скважинах через каждый метр вниз до глубины 5 м:

• 1-ая скважина — под домом, в метре от стенки щебеночного аккумулятора;
• 2-ая скважина — за кольцевым воздуховодом;
• 3-ая скважина — в 20 м от дома.

В течение 5-ти сезонов эксплуатации грунтового теплоаккумулятора его прогрев начинали в начале лета вентилятором производительностью 500...600 м3/ч атмосферным воздухом, нагретым естественным путем до 20...25°С. При этом в начале лета грунт поглощает тепловую мощность 5...8 кВт. По мере прогрева грунта в местах расположения воздуховода до 18...20°С теплопоглощение снижается до 1,0...1,5 кВт. За лето основная масса грунта теплоаккумулятора успевает прогреваться до 16...17°С. В естественных условиях без специального прогрева грунт на полигоне, остыв зимой, к началу лета на глубине 3...4 м имеет температуру лишь 3,2...4,0°С и к осени прогревается только до 7,5...8,0°С.

В 1991 г. после зимнего монтажа щебеночного теплоаккумулятора, он был испытан прогревом с помощью ТЭНов с использованием 1450 кВт*ч электроэнергии. Нагретая до 50°С щебенка, защищенная, как в термосе, теплоизолирующими стенками, за неделю сверху остыла на 20°С, а внизу на 35°С. В заранее прогретом грунте мы надеемся нагревать щебенку энергией солнца, дровами, за счет энергии ветра существенно сильнее, до температур 60...70°С. В комнате 16 м2 зимой это позволяет получить комфортные условия в течение 5...10 дней.

Солнечный воздушный коллектор

Рис. 4. Конструкция плоского солнечного коллектора с воздушным теплоносителем:
1 — зазор между стеклами и коллектором; 2- ребро коллектора; 3 — минеральная вата; 4 — оконная рама 40×40 мм);
5 — коллектор (кровельное железо); 6 — уголок 20×20 мм; 7 — минеральная вата 80...100 мм;
8 — отверстие 50×300 мм; 9 — фанерный ящик.

Солнечный коллектор имеет площадь 12 м². Он выполнен в виде фанерных ящиков размером 2200×900×130 мм. Сверху солнечный коллектор закрыт двойным остеклением, под которым располагается зачерненный лист из кровельного железа (абсорбер солнечного коллектора). От дна ящика этот лист изолирован минеральной ватой. На ночь и в непогоду коллекторы закрываются снаружи утепленными ставнями.

В отличие от водяного воздушный солнечный коллектор проще, быстро прогревается и надежно работает и зимой, и летом. Однако воздушный солнечный коллектор становится пожароопасным в жаркий период лета. Нами установлено, что при закрытой заслонке на выходе нашего коллектора температура воздуха поднималась до 140°С. Обычно же рабочая температура воздуха, выходящего из коллектора, составляет летом 50...80°С, а зимой — 40...60°С.

Средняя полезная тепловая мощность, получаемая с 1 м2 коллектора, составляет зимой 100...300 Вт, а летом — 300 Вт. Пик мощности 600...800 Вт наблюдался в мартовские дни. Чистый подтаивающий снег с ледяной корочкой на волнистых сугробах перед коллектором существенно увеличивает выходную мощность коллектора.

По мере совершенствования солнечных коллекторов, утеплителей и аккумуляторов тепла увеличивается и КПД всей системы в целом. Так, если в 1-ом экспериментальном домике в феврале 1982 г. мы радовались, наблюдая, как температура с −4°С поднималась до +3°С, то в 3-ем доме в морозный день 4 декабря 1993 г. при температуре на улице −20°С температура в теплице за 1,5 часа поднялась с −7°С до +11°C только за счет естественной конвекции.

В перспективе в отопительный период мы надеемся:

• 40% энергии получать от солнца;
• 30% — от небольшого ветроэлектроагрегата;
• 30% — от специальной печки.

1-ый испытанный нами ветроэлектроагрегат мощностью 0,5 кВт разработки НЭТИ показывал удовлетворительный результат в течение года.

Солнечное тепло в условиях Новосибирска

По нашим многолетним наблюдениям, в Новосибирске летом солнца не бывает лишь 1...3 дня в месяц. Зимой около 2-х месяцев солнце закрыто тучами. Солнечные коллекторы нашей конструкции улавливают солнечную радиацию летом в течение 6...10 часов, а зимой — 2...4 часа. Теплопоступления в декабре-январе в 10 раз слабее, чем летом.

Исторический пример пассивного солнечного дома

Наиболее известным историческим примером пассивного использования солнечной тепловой энергии является крепость Монтесумы в Аризоне, построенная между 1100 и 1300 г.г.

Рис. 1. Крепость Монтесумы.

Крепость была построена индейцами на крутом южном склоне известнякового массива. Южные стены крепости возведены из adobe (самана). Толстые стены благодаря хорошим теплотехническим свойствам способны аккумулировать значительное количество солнечной теплоты в течение зимнего дня. Этого количества солнечного тепла вполне хватает для отопления в ночное время помещений, расположенных глубоко в скальном массиве.

Естественный скальный навес над крепостью в летнее время выполняет функции затеняющего козырька, защищая внутренние помещения от перегрева, когда солнце находится в зените.

Естественная вентиляция обеспечивается люками, которые открываются для охлаждения помещений и теплоаккумулирующих элементов.