Общую потребность в отоплении можно уменьшить, проекти­руя здание таким образом, чтобы поступление тепла увеличива­лось за счет инсоляции (облучения солнечной радиацией) и уменьшалось в жаркую погоду. Обычно поступление солнечно­го тепла при расчете сезонного предложения и спроса на отопле­ние не учитывалось. Когда инженеры определяют размер отопи­тельного агрегата, они обычно делают расчет на самые холодные условия, когда солнце скрыто облаками. В этом есть логика, од­нако инженеры-строители должны при этом и проявлять заинте­ресованность в сокращении общего сезонного потребления энер­гии на отопление. К сожалению, до сих пор большинство исследований в области солнечного теплоснабжения касалось в основном поисков путей уменьшения расхода энергии на ох­лаждение и получения льда в жаркую погоду, а не уменьшения расхода энергии на отопительные нужды в холодную погоду. Данные по отоплению всегда трудно поддаются обработке в про­цессе проектирования. Создание методик по этому вопросу, по­лезных при проектировании, проводилось ранее и будет рас­смотрено в этой книге, и дальнейшее развитие этих работ принесет несомненную пользу в деле поиска средств решения наших энергетических проблем. ^

Пожалуй, наилучший путь использования солнечной энергии для отопления связан с нахождением возможностей восприни­мать ее через поверхность крыши, стен и через окна здания. Утепленные крыши и стены исключают такую возможность. Од­нако если крыши и стены не имеют изоляции, как в случае кры­

тых железом легких бараков, они хотя и не пропускают непо­средственно солнечные лучи, будут нагреваться, проводить и излучать значительное количество тепла в здание.

Цвет крыш и стен влияет на количество тепла, поступающего в здание, так как темный цвет обычно поглощает больше энергии солнечной радиации, чем светлый. Цвет особенно важен, когда применяется мало изоляции или она не применяется вовсе, одна — го его влияние уменьшается при увеличении количества изоля­ции. В условиях теплого и жаркого климата наружные поверхно­сти здания, обращенные к солнцу, должны быть светлого цвета; в условиях прохладного и холодного климата такие поверхности должны быть темными. Поступление тепла через такие светоне­проницаемые поверхности, как крыши и стены, более подробно рассмотрено ниже.

Поскольку интенсивность солнечной радиации, падающей на неодинаково ориентированные поверхности, меняется, важно стены и крышу здания ориентировать так, чтобы тепловая энер­гия солнечного излучения зимой поглощалась, а летом отража­лась. Генри Никколис Райт рассмотрел эту возможность в книге «Вклад солнечной радиации в летнее охлаждение и зимний обо­грев жилых зданий» [12]. Некоторые его выводы, касающиеся Нью-Йорка, можно суммировать следующим образом:

максимальная плотность потока солнечной радиации на уровне земли составляет 1100 Вт/м2;

этот уровень максимальной плотности потока солнечной ра­диации характерен для всех сезонов года, несмотря на то что Солнце зимой находится ниже на небосклоне, чем летом. Это, в частности, объясняется более низкой влажностью воздуха зи­мой (меньшим атмосферным поглощением). Кроме того, зимой Земля находится ближе к Солнцу;

эффективность облучения солнечной радиацией стены, обра­щенной на юг, зимой почти в пять раз выше, чем летом;

эффективность облучения солнечной радиацией стены, обра­щенной на запад и северо-запад летом, в шесть раз выше, чем зимой; :*v j

наибольшее эффективное облучение солнечной радиацией вертикальных стен имеет место зимой, поэтому в домах, обра­щенных фасадом на юг и юго-запад (обычно большинство основ­ных помещений дома и больших окон размещается на этой сто­роне), и при небольшой площади окон, выходящих на запад и се­веро-запад, гораздо легче охлаждать летом и легче отапливать зимой, а также добиваться в этих домах комфортных условий.

Рисунок 2.2. [12] понятен без дополнительных пояснений. Сравниваются условия солнечного облучения домов с наихудшей и с наилучшей ориентацией. Виктор Олгиэй в своей книге «Про­ектирование с учетом климата» пишет, что Райт пользовался «завышенными значениями в своих расчетах радиации», хотя принципы его исследования, по всей видимости, правильны.

2*

35

Ёольшинство других теоретиков по вопросу ориентаций предла­гают главный фасад здания ориентировать в пределах 30° от направления прямо на юг, т. с. в конусе между югом и юго-восто­ком, югом и юго-западом. При этом считается, что ориентация на юг предпочтительна. Конечно, ориентация па юг наиболее существенна для окон, чем для стен, потому что через окна по­ступает значительно большее количество тепла, чем через стены. Это обстоятельство обсуждается ниже.

Олгиэй против того, чтобы делать выводы, общие для всех местоположений. Он выступает за введение в практику расчетов понятия солнечно-воздушная температура, полезного в качестве некоторого параметра при нахождении оптимальной ориентации (в книге «Проектирование с учетом климата» приводятся под­робные объяснения по этому поводу). Ориентация непосредст­венно на юг может нс быть оптимальной для всех местоположе­ний, но почти всегда будет лучше, чем на 30° к востоку или к за­паду от него.

Для здания весьма важна его ориентация. По аналогичным причинам важны также и соотношения его длины, высоты и ши­рины. Здание оптимальной формы теряет в окружающую среду минимальное количество тепла и получает максимум тепла от Солнца зимой, а летом поглощает наименьшее количество сол­нечного тепла. Олгиэй [8] показал, что:

в высоких широтах (выше 40° с. ш.) южные стороны зданий получают почти в два раза больше энергии солнечной радиации зимой, чем летом. Восточные и западные стороны получают этой энергии в два с половиной раза больше летом, чем зимой;

в низких широтах (ниже 35° с. ш.) южные стороны получают солнечную энергию зимой даже больше, чем летом. Восточные и западные стены могут получить солнечное тепло в два или три раза больше, чем южные стены летом;

Поступление солнечного тепла В жилую комнату удший Вариант Летом ооооооа Максимум ооооа В среднем Лучший Вариант оа ■ • Максимум а В среднем Зимой ооа оооооооооа Максимум Максимум оо ■ ООООО В среднем В среднем

для. Xopoulo изолированных зданий и зданий с затеняющими устройствами с южной стороны это расхождение еще больше, а для зданий с небольшими или полностью затененными окна­ми — меньше;

«квадратный дом для любого местоположения не является оптимальным»;

все формы зданий, удлиненных в направлении север — юг, ме­нее эффективны по сравнению с квадратными как для зимних, так и для летних условий;

более оптимальной формой в любой сезон является удлинен­ная в направлении восток—запад.

Кроме соображений экономии энергии при проектировании могут приниматься во внимание и другие факторы, касающиеся формы здания. Некоторые из них также оказывают влияние как на экономию энергии и ресурсов, так и на окружающую среду. Например, ориентация и размер стройплощадки могут не соот­ветствовать оптимальной форме здания, так как назначение зда­ния может потребовать других форм. Если, например, необхо­димо естественное освещение, то может потребоваться большая площадь наружных периметральных поверхностей для устрой­ства оконных проемов.

Оденка различия в уровне поступления солнечного тепла для зданий с разной ориентацией фасадов может помочь при выборе формы и ориентации здания и размещении оконных проемов. Ориентацию зданий обычно можно классифицировать по четы­рем планировочным схемам (рис. 2.3). Для этих четырех ориен­таций рассмотрены три основных варианта конфигураций фаса­дов и планов зданий:

1. Здание имеет примерно равные по площади фасады и пред­ставлено в плане квадратом.

2. Здание имеет фасады разных площадей (в соотношении 1,5:1 или более); длинная ось прямоугольника расположена в направлении стран света.

3. Здание имеет фасады разных площадей (в соотношении 1,5:1 или более); короткая ось прямоугольника расположена в направлении стран света.

На рис. 2.4 показаны сочетания различных ориентаций, форм и площадей пола и стен. Приведенные величины следует рас­сматривать как относительные, поскольку расчет проводился с помощью актинометрических данных, взятых из двух источни­ков — «Справочника основных положений» Американского об­щества инженеров по отоплению, холодильной технике и конди­ционированию воздуха, и из информации, предоставленной фир­мой «Кулшейд корпорейшн». В обоих источниках данные приво­дятся для разных широт.

В «итоговом» столбце рис. 2.4 здание с длинной осью, ориен­тированной в направлении восток—запад, имеет большие потен­циальные возможности для восприятия солнечного тепла в янва-

Рис. 2 3. Возможные ориентации и конфигурации дома при определении солнечного тепла

Ряс. 2.4. Относительная инсоляция 21 января 40° с. ш. с использованием коэффициентов поступления солнеч­ного тепла (кДж / день / единица площади) из «Справочника основных положений» Американского общест­ва инженеров по отоплению, холо­дильной технике и кондиционирова­нию воздуха

а —■ размеры здания, относительные пло­щади стен и пола; / — вариант А; II — вариант В и вариант С; III — вариант двойной В и вариант двойной С

1 2 3 4 Всего с I гн 7 гп 4Ы2 в 4 В 2 3 1 С 118 508 1630 508 2764 84 722 1160 722 2668 168 361 2320 361 3210 ^ 4 І С 2 Двойной В 118 1016 1630 1016 3780 3 3 Двойной С 236 508 3260 508 4612 і И ССБ-ЮЮЗ 1 д У і 1 ^Двойной В ^ 3 3У2 Двойной с 123 828 1490 265 2406 87 1180 1060 376 2703 174 590 2120 188 3072 123 1656 1490 530 3799 246 828 2980 265 4319 III СВ-ЮЗ ж. д Дюйме І’ з/2 Двойной с 127 1174 1174 127 2602 90 1670 Г 835 180 2775 180 835 1670 90 2775 127 2348 1174 254 3903 127 2348 1174 254 3903 У ; ВСВ-ЗЮЗ 4^Л А УІУЩ “ зУ Двойной В V-2 Двойной с 265 1490 828 123 2406 188 2120 590 174 3072 376 1060 1180 87 2703 265 298 0 828 246 4319 530 1490 1656 123 3799

ре (3386 кДж/день на единицу площади), чем такое же здание, ориентированное по оси север—юг (2814,9), или квадратное здание. В итоге ориентация на восток—запад для всех вариан­тов является наилучшей. Наихудшая форма и наименее выгодная ориентация представлена квадратом с фасадами, обращенными на северо-восток, северо-запад, юго-восток и юго-запад.

В результате удвоения площади первого этажа оптимальное поступление тепла на уровне 3386 кДж/день, увеличивается на одну треть до 4865 кДж/день, так как площадь периметра так­же увеличивается только на одну треть. Если площадь пола удвоить, добавив второй этаж, то площадь периметра удвоит­ся, а следовательно, и поступление солнечного тепла увеличит­ся до 6772 кДж/день. Здесь не учитывались цвет стен, нагрев крыши, варианты расположения окон и их размеры, тепловые потери здания и влияние окон, предусмотренных только для естественного освещения. В более подробном анализе следовало бы также учесть реальные погодные условия. Тем не менее такой упрощенный подход полезен для определения относительных ве­личин поступления солнечной энергии при принятии предвари­тельных решений.

Хотя цвет, ориентация и форма здания играют существенную роль для увеличения поступления солнечного тепла, однако наи­более важным фактором в этом отношении являются окна. В давнее время проемы в жилищах не имели такой роскоши, как стекло. Они служили для прохода людей с предметами их оби­хода, для поступления воздуха, обеспечивая естественную вен­тиляцию, и для проникновения естественного света внутрь зда­ния. Но при этом свободный доступ в жилище имели животные и насекомые. Трудно было регулировать внутреннюю темпера­туру, невозможно было регулировать движение воздуха, контро­лировать его чистоту и влажность.

Хотя стекло, по-видимому, существовало еще в 2300 г. до н. э., оно стало применяться в окнах только в нашу эру. Но лишь в по­следние 75 лет стало экономически и технологически возможно изготавливать и вставлять в окна стекла со стороной более 300 мм. По мере совершенствования технологии и экономичности процесса изготовления стекло стало все чаще применяться для замены традиционных сплошных (каменных или деревянных) наружных стен. Сопровождающие это замещение проблемы час­то игнорировались или недооценивались при проектировании.

Наряду со снижением расхода необходимой для освещения электроэнергии стекло, открытое солнечному свету, пропускает и тепло (рис. 2.5). Экспериментальные дома, стены которых об­ращены на юг, выполнены в основном из стекла и спроектирова­ны в энергетическом отношении весьма удачно. Экономия тепла в доме близ Чикаго, спроектированном Дж. Ф. Кеком и постро­енном на средства Иллинойсского технологического института, может достигать 18%. Дом настолько хорошо воспринимает сол-

нечное тепло, что перегревается в ясные зимние дни [11]. В дру­гих «солнечных» домах, как сообщают, экономия затрат на отопление достигает 30%. Все это в основном объясняется удач­ным использованием парникового эффекта. Стекло свободно пропускает коротковолновое световое излучение, как это показано на рис. 2.6, но неохотно пропускает в обратном направлении длин­новолновое тепловое излучение, испускаемое нагретыми солнеч­ными лучами поверхностями, находящимися внутри предметов.

Проектировщик должен уметь определять графически, сколь­ко полезных килокалорий солнечной энергии поступит в помеще­ние через стену или окно. В «Справочнике основных положений» Американского общества инженеров по отоплению, холодильно­му делу и кондиционированию воздуха имеются обширные таб­лицы по поступлению солнечного тепла для 24, 32, 40, 48 и 50° с. ш. на 21-й день каждого месяца. Однако проектировщику бу­дет трудно пользоваться этими таблицами для определения поступления солнечного тепла в целях отопления (таблицы пред­назначены для определения размеров охлаждающего оборудова­ния). Основные способы учета поступления солнечного тепла через окна рассматриваются в разделе ресурсов под тем же названием.

Большая работа по реализации идеи солнечного дома была проделана Ф. У. Хатчинсоном в университете Пурдью. В 1945 г., благодаря субсидии фирмы «Либби-Оуэнс-Форд гласе компани» были построены два рядом стоящих, почти одинаковых дома. Единственная разница между ними заключалась в том, что в од­ном из домов застекленные поверхности были в большей степени ориентированы на юг (два оконных стекла толщиной б мм, раз­деленные воздушным промежутком 12 мм) [1], По результатам

ll

испытаний этих двух домов Хатчинсон в мае 1947 г. сообщил, что «зарегистрированное количество поступающего через окна с двойным остеклением южных стен домов солнечного тепла в большинстве городов США более чем достаточно, чтобы ком­пенсировать неизбежные потери при пропускании через сте­кло» [2].

Такая конструкция обращенных на юг окон связана с требо­ванием, чтобы теплоемкость внутреннего пространства здания была достаточно большой, чтобы поглощенное избыточное тепло эффективно сохранялось, а помещения не требовали проветри­вания. Чем лучше качество изоляции стен и окон, тем меньше тепла будет потеряно при теплопередаче и тем больше должна быть теплоемкость помещения в целом. На рис. 2.7 показано, что температура воздуха внутри помещения в неотапливаемом солнечном доме 15 января была около 27° С при температуре на­ружного воздуха ниже нуля.

Следует подчеркнуть, что большие площади остекления дей­ствительно влекут за собой большие первоначальные затраты на отопительную систему из-за дополнительных потерь тепла через стекло, которое заменило собой сплошную непроницаемую стену. Кроме того, для данной широты местности общее количество по­ступающей солнечной радиации не меняется, несмотря на облач­ность, и тепловые потери зависят только от наружной температу­ры. Поэтому применение остекления большой площади в мягком климате обеспечивает большие возможности для снижения по­требности в сезонном отоплении, чем в холодном климате на той же широте.

Выше в этом разделе указывалось, что количество солнечной энергии, поступающее через обращенное на юг окно в средний солнечный день, зимой больше, чем в средний солнечный день летом. Это объясняется рядом причин.

1. Несмотря на то что продолжительность светового дня ле­том больше, чем зимой, количество часов возможного освещения солнцем окна, выходящего на юг, зимой больше, чем летом. На­пример, на 35° с. ш. 21 июня продолжительность солнечной инсо­ляции может составлять 14 ч. Однако солнце появляется с северо­востока после 8 ч 30 мин и уходит на северо-запад после 15 ч 30 мин; таким образом, непосредственное прямое освещение Сол­нцем обращенной на юг стены длится всего лиш(> 7 ч. Однако 21 декабря Солнце освещает южную стену полные 10 ч, т. е. все время, пока оно находится над горизонтом.

2. Плотность потока солнечной радиации на плоскости, пер­пендикулярной солнечным лучам, летом и зимой примерно оди­накова. Потери энергии солнечной радиации при прохождении лучей через атмосферу компенсируется тем, что зйМой Солнце ближе к Земле, чем летом.

3. Поскольку зимой Солнце находится ниже наД горизонтом, его лучи направлены в окна под более прямыми углами, чем ле­том, когда Солнце находится на большей высоте. На 35° с. ш. за средний зимний час на 1 м2 окна может поступить 150 единиц энергии; летом эта цифра будет равна 100 единицам-

4. Излучение зимнего неба (из-за рассеивающего эффекта атмосферы) в два раза превышает излучение летнего неба.

5. Чем ближе к прямому углу угол падения солнечных лучей на окно, тем выше общий коэффициент пропусканий — Зимой этот коэффициент выше, чем летом.

6. При правильном затенении окно можно закрыть от боль­шей части прямого летнего солнечного излучения.

Вывод Хатчинсона состоит в том, что зимой через выходящие на юг окна поступает в два раза больше солнечной радиации, чем летом. А если летом окна затенить, то разница оказывается еще большей.

Исключительно полезный график, составленный Хатчинсо­ном, воспроизводится в разделе «Поступление солнечного тепла через окна». Он может быть использован в процессе проектиро­вания для приближенного определения количества солнечного тепла, поступающего через обращенные на юг окна в течение 7 мес. Вывод, который можно сделать, состоит в том, Что влияние типа окна и широты местности относительно невелико по сравне­нию с влиянием температуры наружного воздуха и ^стабильно­стью солнечной погоды. Эти две величины можно найти в табл. 1. В графе 1 приводится величина F, которая представляет собой отношение среднего числа часов солнечного сияния в течение отопительного сезона (с Іоктября по 1 мая) к максимально воз­можному числу солнечных часов. В последних двух столбцах представлены потери энергии через одинарное и двойное остек­ление; значения этих потерь необходимы при определении па-

Таблица 1. Величины поступления солнечного тепла по 48 городам США Коэффи­циент F вероят­ности сол- Средне­ расчетная темпера- Наиболее Поступление энергия через стекло, Вт/м2 Потери стекло, через Вт/м2 Город тура на­ружного низкая темпера- Остекление воздуха тура на- печной за семи- ружного погоды месячный отопитель­ный перл- воздуха зимой, °С одинар­ ное двой­ ное одинар­ ное двой­ ное од, °С 1 2 3 4 5 0 7 8 1. Олбани, шт. 0,463 1,7 —31 —38,3 16,7 317,5 167,4 Нью-Йорк 2. Альбукерке, шт, 0,770 8,3 —23 53,9 90,3 270,3 143,5 Нью-Мексико 3. Атланта, шт. 0,522 10,8 —22 26,9 56,2 263,4 139,9 Джорджия 4. Балтимор, шт. 0,553 6,6 -21 5,9 47,5 260,1 138,1 Мэриленд 5. Бирмингем, шт. 0,510 12,1 —23 32,6 58,3 270,3 143,5 Алабама 6. Бисмарк, шт. 0,546 —4,1 —43 -60,1 11,9 388,4 205,3 Северная Дакота 7 Бойсе, шт. Айдахо 0,540 7,3 —33 68,4 47,8 330,9 175,8 8. Бостон, шт. Мае- 0,540 3,4 —28 15,5 34,9 297,3 157,8 сачусетс 9. Берлингтон, шт. Виргиния 0,419 0,3 —34 —58,3 2,7 334,6 270,3 177,6 10. Чаттануга, шт. Теннесси 0,503 9,9 —23 17,6 49,9 60,7 143,5 364,8 11. Шайенн, шт. Вайоминг 0,666 5,2 -39 17 193,7 293,9 12. Кливленд, шт. Огайо 0,408 2,9 —27 —40,9 11 156 13. Колумбия, шт. Южная Каролина 0,511 12,2 -19 —37 33,5 58,6 243,3 354,6 129,2 14. Конкорд, шт. Нью-Гемпшир 0,515 0,7 —35,9 22,1 188,4 130,9 246,6 15. Даллас, шт. Техас 0,470 11,4 -19 21,2 49 327,7 16. Давенпорт, шт. Айова 0,539 4,4 —33 —9,2 38,2 174 17. Денвер, шт. 0,705 3,8 —34 15,5 64,9 334,6 177,6 Колорадо 18. Детройт, шт. Мичиган 0,429 2,1 —31 42,1 131,5 317,5 168,6 19. Юджин, шт. Орегон 20. Гаррисберг, 0,439 10,1 —20 8 39,4 249,9 132,7 0,495 6,4 —25 —4,5 37,3 283,7 150.7 157.8 шт. Пенсильвания 21. Хартфорд, шт. Коннектикут 22. Хелина, шт. 0,532 6 —28 -0,9 42,1 297,2 0,521 4,8 -41 —9,8 36,4 378,5 200,9 Монтана 23. Гурон, шт. Южная Дакота 0,579 —2,3 —42 —42,1 23,9 381,8 202,7 24. Индианаполис, шт. Индиана 0,507 4,6 і -32 -13,7 33,5 319,9 170,4

	Коэффи-	Средне­ расчетная темпера-	Наиболее	Поступление энергии через стекло, Вт/м3	Потери через стекло, Вт/м*
Город	циент F всроят-	тура на­ружного	низкая темпера*	Остекление
пости СОЛ	воздуха	тура на-
		за семи-	ружного
	ПОГОДЫ	месячный отопитель ный пери-	воздуха зимой, °С	оди­ нарное	двой ное	оди­ нарное	двой­ ное
		ОД, °С
1	2	3	4	5	ь	7	8
25 Джексонвилл,	0,400	16,6	—23	41,5	54,1	202,7	107,6
шт Флорида 26 Джолиет, шт	0,530	4,9	—32	8,6	38,2	320,8	170,4
Иллинойс 27 Линкольн, шт	0,614	2,8	-34	-6,6	45,7	202,7	207,5
Небраска 28 Литл Рок, шт	0,513	10,9	—24	25,4	54,7	277,1	147,1
Арканзас 29 Лиусвилл, шт	0,514	7,4	-29	4,5	43,6	304	161,4
Кентукки 30 Мэдисон, шт	0,504	3,2	—34	—22,7	28,4	331,9	177,6
Висконсин 31. Миннеаполис,	0,527	— 1,4	—37	—47	17,3	351,3	186,5
шт Миннесота 32 Ньюарк, шт	0,550	6,3	—25	4,2	46,3	280,4	148,9
Нью-Джерси 33 Новый Орлеан, шт Луизиана	0,370 0,590	16,4 15,3	-15	34,9	48,1	212,9	113
34 Финикс, шт Аризона	—9	65,5	82,2	182,4	96.8 87.9
0,525	1
35. Портленд шт Мэн	—6	—21,5	35,9	165,6
36 Провиденс, шт Род-Айленд	0,542	2,9	—27	—18,2	33,8	293,9	156
37 Роли, шт Се­верная Каролина	0,570 0,637	15,5 7,4	-19	—29,9	61,6	243,4 300,8	129,1
38. Рено, шт. Невада	-28	25,7	64,8	159,6
39. Ричмонд, шт Виргиния	0,594	8,3	—20	23,9	60,4	246,6 310,9	11,3
40 Сент-Луис, шт Монтана	0,567	6,4	—30	7,7	49,6	165
41. Солт-Лепк-Си — ти, шт Юта	0,592	4,4	—29	0	47,5	304,1	161,4
42 Сан-Франциско,	0,615	12,3	—3	51,7	76.8	145,9	77,1
шт Калифорния 43 Сиэтл, шт Ва	0,340	7,9	— 17	—21,8	15,5	226,3	120,2
шинггон
44 Топика, шт Канзас	0,613	5,7	—32	11,3	55	320,8	170,4
45 Талса, шт Ок-	0,560	9	-27	22,1	56,8	290,6	154,3
лахома
46 Виксберг, шт Миссисипи	0,447	13,8	—18	—32	52,9	239,8	127,4
47. Уилинг, шт За-	0,408	7,8	-28	11,1	26,9	297,2	157,8
падная Виргиния 48. Уилмингтон,	0,558	7,2	—26
11Д	50,5	287,3	152,5
шт. Делавэр

раметров отопительной установки здания и в меньшей степени они важны при определении эксплуатационных расходов.

В графах 4 и 5 приведено полезное поступление энергии (от­рицательная величина обозначает потерю) на 1 м2 одинарного или двойного остекления. Для всех 48 городов поступление энер­гии через двойное остекление положительно (потери через оди­нарное остекление для некоторых городов могут быть сравнимы с соответствующими потерями тепла через стены). Сезонное по­ступление тепла в первом приближении является произведением величины в графе 4 или 5 на площадь окна и на количество часов отопительного сезона. Разумеется, имеется много дней, когда все это тепло невозможно использовать. Кроме того, нередко шторы или задернутые занавески уменьшают поступление солнечной энергии в помещение. Применение таких средств, как изолирую­щие ставни, закрывающие окна на ночь, существенно снижают потери тепла и увеличивают общий уровень полезного поступле­ния тепла. В приведенных данных не учитывается поступление солнечной радиации на южные стеньг. Работа Хатчинсона пока­зала, что этот фактор может оказаться существенным только в том случае, если стена не имеет достаточно хорошей изоляции.

Поступление тепла и потери тепла через окна, рассматривае­мые в разделе «Здание как тепловая ловушка», зависят от типа оконной рамы. Рисунки 2.8 и 2.9 взяты из исследования, прове­денного в Национальном бюро стандартов. Они показывают относительную разность уровня потерь и поступления тепла че­рез алюминиевые и деревянные оконные рамы, ориентированные на четыре стороны света: север, восток, юг и запад. Для окон с деревянными рамами по сравнению с алюминиевыми умень­шение летнего поступления тепла и зимних потерь тепла являет­ся весьма существенным. Таким образом, для новых зданий целе­сообразно применять дерево. Замена оконных рам в существую­щих зданиях также имеет смысл. Кроме того, получение алюми­ния требует большого расхода энергии.

Для экономии энергии имеет также значение и тип стекла. Все типы стекла — прозрачное, теплопоглощающее или отража­ющее — теряют примерно одинаковые количества тепла из-за теплопроводности. Однако количества солнечного тепла, которые передаются этими тремя типами стекла, сильно различаются. Рассмотрим схемы и сводную таблицу «Относительные полезные поступления тепла» для различных конфигураций одинарного и двойного остекления (рис. 2.10—2.17 и табл.2). Поступление тепла представлено не абсолютными, а приближенными величи­нами для условий одного из солнечных дней. Чтобы уменьшить летнее поступление тепла через окна с двойным остеклением, отражающее стекло должно быть обращено наружу, а прозрач­ное стекло — внутрь. Это также уменьшает потери тепла зимой. Следует отметить, что поступление солнечного тепла зимой будет существенно уменьшено, если положение этих двух слоев ст-екла

а,

ц

 

б)

Шта

ІШ&ЯЯУЩ-

чоо

 

Рис 2 8 Летнее поступление тепла в зависимости от материала окон­ных рам Г61

а — алюминиевая оконная рама / — обращенная на север, 2 — обращенная на восток 3 — обращенная на юг, 4—обращенная на запад, б — деревянная окон ная рама площадь окна 0 93 м2 (без учета потерь через стекло), 5 — скорость вет ра 24 км/ч, 6 — безветренно

а)

1000 2000 3000

В течение дня, кДж/день1окно

Рис 2 9 Потери тепла в течение зимнего дня в зависимости от мате­риала оконных рам Г61

й алюминиевая оконная рама 1 — обращенная на север. 2 — обращенная на восток, 3 — обращенная на юг, 4—обращенная на запад, б — деревянная оконная рама, площадь окна 0,93 М2 (без учета потерь через стекло), 5 — безветренно, £*— скорость ветра 24 км/ч

Рис 2 10 Поступление солнечного тепла через прозрачное стекло, одинарное остекление Коэффициент затенения 1, коэффициент отражения 0,08

1 — полезное поступление, 2 — отражение 3 — поток за счет теплопроводности

Рис 2 11. Поступление солнечного тепла через теплопоглощающее стекло, одинарное остекление Коэффициент затенения 0,5, коэффициент отражения 0,4

Рис 2 13 Поступ іение солнечного тепла через прозрачное стекло, двойное остекление Коэффициент затенения 1, коэффициент отражения 0,08

Рис 2 14 Поступление солнечного тепла через теплопоглощающее стекло, двойное остекление Теплопоглощающее стекло коэффициент затенения 0,50, прозрачное стекло коэффициент затенения 1, коэффициент отражения 0,08 а — предпочтительное положение летом б — предпочтительное положение зимой 1 — теп лопоглощающее стекло 2 — прозрачное стекло 3 — поток за счет теплопроводности (около половины количества тепла передаваемого через одинарное остекление)

Рис 2 15 Поступление солнечного тепла через теплопоглощающее стекло, двойное остекление

а — нежелательное положение летсм б — то же зимой / — прозра4ное стекло 2 — теп лопоглощающее стекло

Рис 2 16 Поступление солнечного тепла через отражающее стекло, двойное остекление

/ — отражающее стекаю 2 — прозрачное стекло, 3 — полезное поступление

Рис 2 17 Постатейне солнечного тепла через отражающее стекло, двойное остекление

а — нежелательное положение летом, б — то же, зимой, / — прозрачное стекло, 2 — от­ражающее стекло

Таблица 2 Относительное поступление тепла через различные типы и сочетания стекол (по рис 2 10—2 17) Тип стекла Поступление тепла, кДж/м2 Тип стекла Поступление тепла, кДж/м’ летом ЗИМОЙ летом ЗИМОЙ Одинарное остекле- прозрачное стек- 2112 759 ние ло снаружи, теп- прозрачное стек 2629 2981 лопоглощающсе ло стекло внутри, и теплопоглощаю- 2342 1694 наоборот щее стекло (ко отражающее 836 858 эффициент зате стекло снаружи, нения равен 0,50) прозрачное стек ‘ отражающее стек- 1584 517 ло внутри, и на- ло (коэффициент оборот затенения равен прозрачное стек- 1353 462 0,35) ло снаружи, от- Двойное остекление ражающее стекло прозрачное стек- 2266 1848 внутри, и наобо- ло, оба слоя рот теплопоглощаю- 1144 1419 щее стекло сна- ружи, прозрачное стекло внутри, и наоборот

будет противоположно летнему положению, т. е. прозрачное стекло снаружи, а отражающее стекло внутри (рис. 2.16).

Если требуется увеличить поступление тепла и предельно уменьшить потерю тепла зимой, то необходимо использовать два слоя прозрачного стекла. Такие стекла могут пропускать значи­тельные количества солнечного тепла летом, при этом наличие затеняющих средств, таких, как деревья, навесы и подъемные жа­люзи, может снизить потребность в применении отражающих или теплопоглощающих стекол. Это дорогостоящее стекло целесооб­разно применять лишь для окон, выходящих на восток или на запад, поскольку такие окна обычно труднее затенять, чем окна, обращенные на юг (окна, обращенные на север, не требуют за­тенения, за исключением южных районов страны, где летом та­кие окна хорошо освещаются солнцем на восходе и на закате). Например, в Нью-Йорке через обращенные на восток и запад окна зимой поступает мало тепла, а весной и осенью — много; теплопоглощающие или отражающие стекла могут обеспечить комфорт в тот период, когда применение прозрачных стекол при­водит к перегреву.

Не менее важным, чем обеспечение наилучших условий по­ступления солнечных лучей в дом в одно время года, является "И исключение такого поступления в другое время года. Для многих

климатических районов прекращение доступа в помещения сол­нечного тепла в период наиболее жаркой погоды имеет на прак­тике большее значение для обеспечения комфортных условий для людей, чем обеспечение поступления этого тепла в холодную по­году. Применение разных типов стекла при различных положе­ниях Солнца является одним из способов обеспечения затенения. Для многих районов страны, где уменьшение поступления тепла в помещения крайне необходимо, применение теплопоглощаю­щих и отражающих стекол может принести пользу, особенно на восточных и западных фасадах.

1.Такие стекла уменьшают поступление солнечного тепла, что одновременно является недостатком для зимних условий и достоинством для летних.

2. За исключением особых условий, требующих снижения ин­тенсивности яркого солнечного света, отражающие и теплопогло­щающие стекла при ориентации на север, север—северо-восток и север—северо-запад практически не требуются. На эти фасады поступает мало солнечного тепла, за исключением местностей к югу от 30° с. ш., где применение такого стекла может быть це­лесообразно.

3. Почти на всех широтах, за исключением областей к северу от 40° с. ш., теплопоглощающие и отражающие стекла для обра­щенных на юг окон обычно не предусматриваются (за исключе­нием возможности использования зимнего солнечного тепла, что бывает необходимо, например, для больших административных зданий). Поступление тепла через обращенное на юг остекление летом сравнительно невелико (рис. 2,18).

4.Более практичным решением, как альтернатива примене­нию теплопоглощающих или отражающих стекол для южной, юго-восточной и юго-западной ориентаций, является использова­ние растительности и регулируемых затеняющих устройств. За­теняющие устройства снаружи здания наиболее эффективны; устройства между двумя слоями остекления (такие как подъем­ные жалюзи) несколько уступают им по эффективности; внутрен­ние устройства, как, например, ставни, шторы и занавеси, наи­менее эффективны, поскольку они преграждают путь солнечным лучам только после того, как они проникли в здание (рис. 2.19).

5. Реклама теплопоглощающих и отражающих стекол отме­чает, что этот материал уменьшает как первоначальную стои­мость оборудования для кондиционирования воздуха, так и за­траты на его эксплуатацию, особенно в части расхода энергии. Однако экономия обычно определяется в результате сравнения затрат с соответствующими данными для зданий с ограждающи­ми конструкциями, выполненными из стекла, а не с данными для зданий, уже спроектированных с учетом мероприятий по эконо­мии энергии. При этом не отмечается, что существенная эконо­мия может быть достигнута, если вместо стеклянных стен ис­пользовать непрозрачные, хорошо изолированные стены с умень-

Рис. 2.19. Возможные положения за- теняющих устройств а — снаружи; б — между стеклами, в — внутри; 1 — наружный козырек (только с южной стороны); 2 — подъемные жалюзи, 3 — наиболее эффективный вариант, 4 — наименее эффективный вариант

i_ iU — і-

Рис. 2 20 Варианты длины козырьков

1 — не больше указанной длины, позволя ющей солнечному теплу проникать полно стыо с 21 сентября по 21 марта (целесо образен в холодном климате). Короче ука­занной длины — для обеспечения поступ­ления тепла без затенения с 21 марта по 15 мая (целесообразен в районах с холод­ной весной), 2— не меньше указанной длины для полного затенения 21 июня Не больше указанной длины для поступления солнечных лучей без затенения 21 декаб­ря Короче показанного для полною про­пускания 1 ноября, 3 — не короче показан­ного для полного затенения с 15 мая по 30 июля. 4~ то же, с 21 марта по 21 сен­тября (полное пропускание означает, что окно полностью открыто солнечным лу­чам, когда высота солнца над горизонтом наибольшая. Полное затенение означает, что окно находится полностью в тени, когда высота солнца над горизонтом наи­большая Фиксированное затеняющее уст­ройство не может обеспечить требуемого затенения во все времена года В какой-то степени поможет решить проблему козырек изменяемой длины или трехпозиционный навес Другими решениями могут быть регулируемые жалюзи, подвижные навесы и решетки с вьющимися растениями)

Рис. 2 21. Схема углов падения солнечных лучей

 

/ — угловая высота Солнца, 2 —угол падения; 3 — здание; 4 — солнечный азимутальный угол; 5 — солнечный азимутальный угол по отношению к стене

Рис. 2 22. Два разных положения наружного затеняющего устройства а — стационарное нерегулируемое наружное затеняющее устройство; б — регулируемое наружное затеняющее устройство; 1 — летнее солнце, 2 — зимнее солнце, 3 — рассматри­ваемое затеняющее устройство, или козырек; 4 — зимнее положение противосолнечного экрана; 5 — летнее положение противосолнечного экрана

ление солнечного тепла нежелательно, создает такую же тень, как 21 марта, в день весеннего равноденствия, когда погода хо­лоднее и использование солнечного тепла желательно. Использо­вание затенения от растительности, которое более точно следует солнечным временам года, более выгодно в течение всего года: 21 марта, когда листва отсутствует или ее немного, солнечное тепло легко проникает без преград: 21 сентября листва еще не опала, и тем самым обеспечивается необходимая тень (рис. 2.20). Определение наиболее выгодного угла затенения рассматривает­ся в разделе «Углы падения солнечных лучей и затенение».

Применение регулируемых затеняющих устройств дает еще большие возможности (рис. 2.22). Однако устройства, которые крепятся снаружи здания, трудно содержать в должном порядке, и они постепенно портятся. Попытки сделать их более долговеч­ными, как правило, не увенчиваются успехом. Кроме того, они должны иметь такую конструкцию, которая была бы проста в управлении; таким образом, людей нужно поощрять к участию в создании для себя удобной и комфортной окружающей среды (такое поощрение распространяется на регулирование затенения окон, уровня температуры, освещенности и других параметров условий в помещении).

Регулируемое затенение, расположенное между двумя стек­лами окнй, не так эффективно, как наружные устройства, но бо­лее эффективно, чем внутренние. Такие межрамиые устройства, как подъемные жалюзи, часто весьма дороги, их обычно доволь­но сложно ремонтировать и чистить. Такие внутренние затеняю­щие устройства, как закатываемые шторы, занавеси и подъем­ные жалюзи, являются наименее эффективными средствами, но они, пожалуй, наиболее удобны для использования людьми, на­ходящимися в здании (рис. 2.19).

а —солнца нет б —солнечная по года 1 — отражающая поверх ность 2 — элемент жалюзи запої ненный изоляцией 3 — верхняя ем кость заполнена 4 — нижняя ем кость пуста 5 — солнце в — тепло (прохлада) отражается назад в

помещение 7 — верхняя емкость пуста S —нижняя емкость запол пена

Рис 2 24, 2 25 2 26 Некоторые другие области применения си­стемы «Скайлид»

I — пилообразная крыша 2 — юг 3 — фонарь верхнего света 4 — плавательный бассейн — теплица — внутренний дворик 5 — жилой ин терьер

Регулируемое затеняющее устройство «Скайлид» приводится в действие с помощью энергии Солнца Такое жалюзийное уст­ройство, созданное фирмой «Зоумуоркс корпорейшн», г Альбу­керке, шт. Нью-Мексико, находится внутри здания (для защиты от атмосферных воздействий). Все элементы жалюзи поворачи­ваются одновременно в открытом положении они пропускают солнечные лучи, а в закрытом не пропускают, изолируя окно и сохраняя внутри тепло (или прохладу). Но одном из жалюзий­ных элементов смонтированы две емкости, соединенные неболь­шой трубкой Между емкостями протекает фреон, расширяясь и сжимаясь в зависимости от температуры, которая определяет­ся главным образом солнечным теплом, попадающим на высту-

Рис 2 27 Углы падения солнечных лучей для различных дат и часов, 40° с ш

а — западный фасад 16 ч 00 мин (солнечное время) б —восточный фасад 8 ч 00 мин (солнечное время) в — южный фасад 8 ч 00 мин (солнечное время) г — юж ный фасад полдень (солнеч нос время)

г

пающую наружу емкость. Когда солнце нагревает фреон, из вы­ступающей наружу емкости он перетекает в другую, уравновеши­вая жалюзийные элементы и заставляя их закрываться Кроме автоматического управления жалюзи можно регулировать с по­мощью ручного рычага Зимой система работает в обратном по­рядке солнце заставляет жалюзи открываться в солнечные часы и закрываться ночью, удерживая тепло в помещении (рис с 2 23 по 2 26)

Очень трудно зйтенять обращенное на восток и запад остекле­ние, потому что высота солнца над горизонтом мала как летом, так и зимой (рис. 2.27). Работа козырьков летом, когда они дол­жны препятствовать проникновению солнца в помещение, неиа много эффективнее, чем зимой Пожалуй, наилучшим средством для затенения в этом случае являются вертикальные жалюзи или подобные им элементы, но можно подумать и об использова­нии отражающих и теплопоглощающих стекол

Один из методов достижения эффективного затенения заклю чается в том, что обращенное на восток и запад остекление целе­сообразно переориентировать на север или на юг При ориента­ции остекления на север будет пропускаться только непрямой свет, создающий благоприятное освещение для жизни и работы человека А при ориентации остекления на юг обеспечивается поступление солнечного тепла зимой. Показанный на рис 2 28 метод ориентации остекления на юг также обеспечивает полное затенение летом На рис 2 29 показаны другие конфигурации вы­ходящих на юг окон.

0>5′

Рис 2 28 Пилообразное расположе­ние окон на западном фасаде здания, обеспечивающее поступление солнеч­ного тепла зимой, но исключающее летом 1 — выступ здания 2 — Наружный выступ 3 — верхний экран 4~ наружная стена 5 — регулирующая тепловой поток штора 6 — двойное остекление, 7 — боковое за тенение 8 — план 9 — вид сбоку

Рис 2 29 Некоторые конфигурации затенения для окон, обращенных на юг

Рис 2 31 Схема затенения, составленная фирмой «Дабин Минделл-Блум ассошиэйтс» (Нью-Йорк) для федерального административного здания, кото­рое является демонстрационным с точки зрения экономии энергии Здание предназначено для Управления служб общего назначения и находится в Ман­честере (шт Нью Гэмпшир) (сложная тень для 6 этажей — 24 м, для 8 эта­жей— 32 м, для 10 этажей — 40 м), 21 декабря с 8 ч 30 мин до 15 ч 30 мин (солнечное время)

Понятие коэффициента затенения имеет важное значение при сравнении относительной эффективности различных затеняю­щих устройств Одинарный слой прозрачного стекла повышенной прочности имеет коэффициент затенения 1. Коэффициент затене­ния для любой другой системы остекления с использованием за­теняющих устройств представляет собой отношение поступления солнечного тепла через эту систему к поступлению солнечного тепла через стекло двойной прочности Таким образом, поступле­ние солнечного тепла через системы остекления является произ­ведением их коэффициентов затенения на коэффициенты поступ­ления солнечного тепла, указанные в «Справочнике основных положений» Американского общества инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха для про­зрачного стекла двойной прочности. На рис 2 30 представлены некоторые типичные коэффициенты затенения для различных способов изменения затененности.

В крупных зданиях, площадь наружной поверхности которых значительно меньше полезной площади пола, часто имеет место выделения большого количества внутреннего тепла, получаемого

в результате деятельности людей, освещения и работы оборудо­вания. Часто такие здания требуют кондиционирования воздуха круглый год, особенно летом, но иногда и зимой. Для таких зданий наиболее целесообразно применять стекла, которые зате­нены все 12 мес в году, а не только летом Конечно, нужно пред­принять все возможные меры, чтобы уменьшить количество теп­ла, выделяемого в этих зданиях людьми, освещением и маши­нами. Зависимость от искусственного освещения должна быть уменьшена за счет более широкого применения естественного ос­вещения (через окна), снижения общего уровня искусственного освещения и применения светильников непосредственно там, где требуется свег (местное освещение).

Проектировщики также должны учитывать влияние тени от зданий на окружающую среду, т. е учитывать, затеняются ли здания, которые прямо или косвенно используют солнечное тепло или свет, затеняются ли окружающая растительность и культур­ные насаждения, которые постоянно нуждаются в солнце для своего роста (рис. 2 31).

Возможность запрячь солнечную энергию может увести нас в сторону и толкнуть на ее использование такими способами, ко­торые затеняют и не учитывают некоторые причины, заставившие нас обратиться к ее использованию. Например, проблема эконо­мии энергии не столь увлекательна, как изобретение хитроумных средств для поимки солнечного тепла. Нет ничего нового и вол­нующего в работе над тем, чтобы солнечные лучи нагревали здание зимой и по возможности не воздействовали на него летом; мы предпочли бы сконструировать «умную», высокоспециализи­рованную машину для выполнения этой простой задачи.

Природа, однако, создает простые и в то же время сложные механизмы, чтобы компенсировать ненадежность и нерегуляр­ность солнечного излучения и температуры. Понаблюдайте за цветами, которые открываются и закрываются с восходом и за­ходом солнца, за животными, которые находят укрытие, чтобы защитить себя от сильной жары, как это бывает в пустыне, и ко­торые зарываются в землю, спасаясь от зимних холодов.

В процессе исторического развития человек создавал свой кров и одежду. Но по мере того, как мы учились преодолевать многие трудности борьбы за существование и делать себя невос­приимчивыми к идиосинкразиям природы, мы также создавали пропасть, которая отделяет нас от существенного понимания и оценки природных явлений. Все больше и больше мы полага­емся на технику и нашу собственную способность решать проб­лемы не только без содействия природы, но и в прямом конфлик­те с ее законами.

В части I содержится краткое введение в некоторые концеп­ции использования солнечной энергии. Одна из наиболее важных из них касается свойств стекла, которые дают возможность про­никать через него коротковолновому излучению и задерживать обратное длинноволновое тепловое излучение. Этот принцип, наз­ванный «парниковым эффектом», справедлив также и для на­шей атмосферы. В определенном смысле Земля является гигант­ским солнечным коллектором. Солнечные лучи интенсивностью более 1250 Вт/м2[1] достигают атмосферы, проделав свой путь от

Солнца до Земли. Определенная часть тепла отражается атмос­ферой, некоторая часть задерживается атмосферными частица­ми, которые нагреваются в процессе облучения. Остальная часть достигает поверхности Земли, которая часть энергии солнечной радиации отражает обратно в атмосферу, а часть поглощает и вторично излучает в атмосферу. Этот процесс вторичного излу­чения может быть мгновенным, например когда лучи попадают на отражающую поверхность, или же может быть задержан на миллионы лет, например на период образования ископаемого топлива. Эта накопленная солнечная энергия отдается в атмос­феру в виде тепла, когда мы сжигаем топливо.

Атмосфера вторично излучает некоторую часть своего тепла обратно в космос. Если бы не огромное количество тепла, кото­рое передается в атмосферу в результате ядерных реакций деле­ния и синтеза и сжигания ископаемого топлива, Земля поддер­живала бы температурное равновесие с космическим простран­ством на постоянном уровне. Иначе говоря, без этого освобождения энергии человеком Земля повторно излучала бы тепло в космос с той же скоростью, с какой она получает его от Солнца. В противном случае, средняя температура Земли меня­ется, становясь либо выше, либо ниже, пока не достигается рав­новесие.

Имея в виду это обстоятельство, многие подвергают сомнению целесообразность собирания солнечной энергии для использо­вания потом с целью выработки электроэнергии или отопления зданий. К счастью, влияние этой деятельности на температуру Земли ничтожно. В течение очень короткого периода времени, обычно самое большее 2 или 3 дня, используемая солнечная энер­гия (например, для отопления здания) преобразуется в тепло, которое в конечном счете переносится в атмосферу (например, вследствие тепловых потерь через стены здания).

Определенные участки земной поверхности испытывают тем­пературные колебания в широких пределах, однако большая теплоаккумулирующая способность Земли (и атмосферной обо­лочки) не дает поверхности Земли слишком охладиться ночью и перегреться днем. Из-за большой теплоаккумулирующей спо­собности Земле требуется долгое время для охлаждения после захода солнца и долгое время для прогревания после его восхо­да. Этим объясняется тот факт, что полуденные температуры выше утренних, несмотря на примерно равные количества сол­нечной радиации в оба периода времени. Этим же объясняется сдвиг во времени между земными и солнечными сезонами. Сере­диной лета для Солнца является летнее солнцестояние — пример­но 21 июня в северных широтах, однако самая теплая погода обычно бывает в июле и августе.

Строительное проектирование должно основываться на ана­логичных принципах. Оно не должно «замечать» резкие измене­ния погоды от часа к часу или от холодных ночных часов к теп-

Рис 2 (1 Схемы функ ционирования здании и качестве коллектора сол­нечной энергии, аккуму лируюшего устройства п ловушки

солнечный зимник день здание раскрывается для поглощения тепла зимняя ночь здание закрывается, как кокон

лым дневным. По возможности оно даже не должно «замечать» более резко контрастируемых летних и зимних экстремумов.

Существуют бесчисленные примеры архитектурных решений, выполненных с учетом местных условий и основанных на этих критериях. Хорошо известным примером является тяжелая гли­нобитная постройка «индейского пуэбло», характерная для юго­запада США. В течение дня толстые стены из затвердевшей глины накапливают солнечное тепло, преграждая ему путь внутрь дома. Ночью, когда температура в пустыне резко падает, накопленное тепло обогревает внутренние помещения. Теперь уже стены накапливают прохладу ночного воздуха для того, чтобы охлаждать дом в течение дня Здания, строящиеся из та­ких тяжелых материалов, как камень и бетон, будут вести себя подобным образом во многих климатических зонах.

Помимо устранения влияния суточных колебаний в проекте должно предусматриваться, чтобы здание самомодулировалось и «не замечало» крайностей времен года. Например, в пещерах круглый год наблюдается довольно постоянная температура и влажность. Аналогично этому здания, покрытые слоем земли, со стенами, заваленными снаружи землей или вплотную примы­кающие к склону холма, будут меньше подвержены сезонным температурным колебаниям.

В то же время здание должно проектироваться так, чтобы иметь возможность реагировать на внешнюю среду и другими способами. В солнечные зимние дни здание должно в некотором смысле «раскрываться», чтобы впустить внутрь солнечную ради­ацию, а затем «наглухо закрываться», как кокон, чтобы удер­жать полученное тепло. В летние дни оно должно «закрываться», чтобы уберечься от жары, а ночью «раскрываться», чтобы впус­тить прохладный ночной воздух (рис 2 1)

Если здание спроектировано правильно, оно будет функцио­нировать подобно солнечному коллектору, собирая тепло, когда светит солнце, и сохраняя его для дальнейшего использования Здание прекращает работать как коллектор, когда в аккумуля­торе накапливается достаточно тепла или когда поступление сол­нечной энергии прекращается. Например, в летний день коллек­тор здания не должен работать, так как отопление не требуется.

Но он способен работать в обратном порядке как радиатор, про­гоняя теплоноситель через здание, как если бы оно «раскрыва­лось» на ночь.

Важность проектирования здания с учетом взаимодействия с климатом, мощное воздействие которого оказывает большое влияние на здание как жизнеобеспечивающей системы, невоз­можно переоценить. Исключительно важно, чтобы методика ис­пользования солнечной энергии правильно оценивалась с пози­ций вышеизложенного. Это заставит нас обратиться прежде всего к наиболее простым методам изучения солнечной энергии без применения сложного и специализированного оборудования и технологии. Среди специалистов, занимающихся солнечной энергией, эти методы получили название технологии слабого воз­действия и пассивных. Это значит, что конструкция имеет мало подвижных частей и что не применяются механизмы управления и специальное оборудование, подобное используемому в косми­ческой программе или требующее массового производства. Если же такое оборудование применяется, то оно является лишь до­полнением к другим компонентам этой эффективной и в то же время простой системы. Проектировщики таких систем считают, что контроль со стороны человека часто более надежен, чем кон­троль автоматический. Если же оказывается, что это не так, то этот контроль, по крайней мере, более гибок в отношении спо­собностей удовлетворить потребности живущих в доме. Кроме того, проектировщики должны тщательно сопоставлять потреб­ление энергии и наличие ресурсов при производстве этих систем и материалов с экологическими выгодами при их применении.

Одной из самых наглядных иллюстраций преимуществ конт­роля со стороны человека по сравнению с автоматикой является применение открываемых или неоткрываемых окон в зданиях. Все больше новых зданий имеют окна, которые невозможно от­крыть вручную изнутри; такие окна получили наименование «не­открываемых». Существует мнение, что внутренний климат зда­ния более эффективно контролировать с помощью автоматов, чем людьми, живущими или работающими в нем. Автоматы при­званы обеспечивать условия, которые для человека в среднем считаются наиболее комфортными. Но существует несколько «средних» людей: многие испытывают неудобство в «средних» условиях и еще большее число чувствует себя неуютно, если эти автоматы неудачно сконструированы или часто выходят из строя. Когда выходят из строя системы кондиционирования воздуха (обычно в самую жаркую погоду) в зданиях с неоткрываемыми окнами, люди внутри не имеют возможности впустить прохлад­ный наружный воздух и вынуждены ждать, когда будет отремон­тировано оборудование.

Поэтому наилучшим способом использования энергии солнца для отопления явится проектирование и эксплуатация здания, играющего роль естественного солнечного коллектора, по воз-

можноети без применения специальных технических средств. Для достижения этой цели необходимо, чтобы здание удовлетворяло трем основным требованиям.

1. Здание должно выполнять функции солнечного коллектора. Оно должно впускать солнечные лучи, когда требуется тепло, и препятствовать их проникновению, когда такой потребности нет. При необходимости здание должно также впускать внутрь прохладу. Это осуществляется главным образом путем ориента­ции и проектирования здания так, чтобы дать возможность лу­чам солнца проникать через ограждающие конструкции и окна зимой и не допускать этого летом, используя для этого такие за­теняющие средства, как деревья, навесы, жалюзи и многие дру­гие способы.

2. Здание должно быть солнечным аккумулятором. Оно долж­но сохранять тепло, чтобы его можно было использовать в про­хладное (и холодное) время, когда солнце не светит, а также хранить прохладу во время теплых (и жарких) периодов, когда солнце светит. Наиболее эффективны в этом отношении здания, построенные из тяжелых материалов, таких, как камень и бетон.

3. Здание должно быть хорошей тепловой ловушкой. Оно должно эффективно использовать тепло (или прохладу) и терять его очень медленно. Это осуществляется главным образом путем снижения тепловых потерь здания благодаря эффективному при­менению изоляции, уменьшению инфильтрации воздуха и устрой­ству ставней.

Каждая из этих особенностей здания будет рассмотрена в следующих трех частях. Поскольку основное внимание в этой книге уделяется отоплению, охлаждение будет рассмотрено не столь подробно. Теория тепловых явлений довольно подробно излагается в разделе ресурсов и поэтому в этой части рассматри­ваться не будет, за исключением нескольких основных положе­ний. Физиологические факторы, влияющие на комфорт человека, также будут рассмотрены в разделе ресурсов, основными из ко­торых являются:

выделение и регуляция тепла в теле человека;

потери тепла и влаги человеком;

влияние холодных и горячих окружающих человека пред­метов;

стратификация воздуха и величина эффективной температуры.(сочетание влияний параметров воздуха, включая температуру, содержание влаги и характер движения).

Существует много других факторов, которые влияют на вели­чину потребления энергии в здании помимо его потребностей в отоплении и охлаждении, а именно: вентиляция и движение воз­духа внутри здания; очистка этого воздуха (особенно в город­ских зданиях); контроль влажности этого воздуха; использова­ние энергии для освещения, для работы насосов, вентиляторов, механизмов управления и другого механического оборудования,

а также наличие внутренних специальных помещений в здании (например, кладовых комнат и лестничных клеток в холодном северном торце здания).

Поскольку проектировщики стремятся обеспечить комфорт для человека, постольку пользователи зданий должны участво­вать в их эксплуатации. Благодаря объединенным усилиям про­ектировщиков и пользователей потребление ископаемого топлива будет уменьшено, что способствует снижению его стоимости и уменьшению загрязнения окружающей среды. Среди простых средств снижения потребления топлива при участии пользовате­ля можно отметить такие, как выключение термостата; когда возможно, задергивание занавесей, опускание затеняющих штор, закрывание жалюзи и ставней; установка зимних оконных пере­плетов; устройство нащельных реек на окнах и дверях; поддер­жание чистоты и эффективности работы отопительного котла; установка зимой временных щитов для защиты от ветра.

Очевидно, что усилия пользователей-владельцев уменьшить потребление энергии будут способствовать расширению эффек­тивного использования солнечной энергии.

Современный человек гордится своим новым осознанием от­крытия изобильного источника энергии, которая достигает нашей планеты через каких-нибудь восемь с половиной минут, покинув гигантскую печь, находящуюся в 150 000 000 км от нас. С момен­та своего зарождения живые существа находили простые спосо­бы использования для жизнедеятельности энергии этого мощного источника, которая обеспечивает бесконечный цикл жизни и смерти. Зеленые растения оптимально воспринимают интенсив­ные лучи солнца. Сам человек эмоционально и духовно реагирует на воздействие солнца, поклоняясь ему и строя свои жилища с должным уважением к его мощи, щедрости и неумолимости.

В своих Memorabilia (III, viii, 8—14) Ксенофон записал не­которые положения учения Сократа (470—399 до н. э.), касаю­щиеся жилища:

«И опять его высказывание о жилище… было уроком по ис­кусству строительства домов такими, какими они должны быть. Он так подходил к проблеме: «Должен ли тот, кто хочет иметь хороший дом, придумать его как приятным, так и пригодным для жилья?». Получив утвердительный ответ, он спрашивал: «Прият­но ли иметь его прохладным летом и теплым зимой?». И когда они соглашались с этим, он говорил: «В домах, обращенных фа­садом на юг, солнечные лучи проникают в портики зимой, но ле­том путь солнца проходит над нашими головами и над крышей, и потому там всегда тень. Тогда, если это является наилучшим расположением, мы должны возводить южный фасад выше, что­бы воспользоваться зимним солнцем, а северный фасад ниже, чтобы отгородиться от холодных ветров. Короче говоря, дом, в ко­тором хозяин может найти приятное убежище и в безопасности хранить свои вещи, вероятно, будет одновременно самым прият­ным и самым красивым».

В это отношение к солнцу человек привнес осознанные знания и изобретательность. Еще в доисторические времена солнце высушивало и сохраняло пищу человека. Оно испаряло воды

океанов, давая соль. С тех пор как человек начал рассуждать, он признал солнце в качестве движущей силы и решающего фак­тора любого природного явления, в том числе созданного руками человека. Некоторые толкователи полагают, что великие египет­ские пирамиды, эти свидетельства величайших инженерных под­вигов человека, были задуманы как лестницы, ведущие к солнцу. Около двух с половиной тысяч лет назад жрицы-девственницы в храмах Весты зажигали священный огонь при помощи солнеч­ных лучей в фокусе металлических конусов. А в 212 году до и. э. греческий физик Архимед применил огромное вогнутое зеркало из металла (в виде сотен отполированных щитов, направляющих отраженные солнечные лучи на один из кораблей), чтобы сжечь римский флот, атаковавший Сиракузы.

Помимо многочисленных способов использования энергии солнца природой и человеком, как-то: для выращивания зерна, повышения способности видеть или для получения солнечного загара, или сушки одежды, постоянно существует ряд других «обязанностей». Солнечная энергия используется для отопления и охлаждения зданий, для подогрева воды в плавательных бас­сейнах, для питания рефрижераторов, двигателей насосов и ус­тановок по переработке сточных вод. Солнечная энергия питает автомобили, печи, дистилляторы и сушилки. Возникающий под воздействием солнечной энергии ветер используется для произ­водства механической и электрической энергии, которая исполь­зуется как на земле, так и в космосе. Кухонные плиты и автомо­били могут работать на метане, полученном при использовании солнечной энергии в цикле работы очистных сооружений, органи­ческие остатки могут быть сожжены на электростанциях. Зави­сящие от режимов поступления солнечной энергии циклы испа­рения и выпадения осадков в сочетании с энергией падающей воды приводят в движение турбины и электрические машины. Солнечные электролизеры расщепляют воду на кислород и во­дород, который может применяться как топливо. Многие другие разнообразные применения солнечной энергии хорошо описаны в книге Фаррингтона Дэниелса «Непосредственное использова­ние энергии Солнца», которая является прекрасным исследова­нием в этой области.

Однако ни одно из этих применений, в том числе и те, которые рассмотрены в данной книге, невозможно понять без знания ос­новных принципов солнечной энергетики. Большая часть энергии, которую мы получаем от солнца, поступает в виде коротковолно­вого излучения, которое не все видимо для человеческого глаза. Когда это излучение падает на поверхность твердого или жидко­го тела, поглощается и преобразуется в тепловую энергию, тело нагревается за счет теплопроводности, отдает часть энергии ок­ружающей среде (воздуху, воде, другим твердым и жидким те­лам) и вторично излучает его на другие тела, имеющие более низкую температуру. Это излучение является длинноволновым.

Рис. 1.2. Печатный станок, при­водимый в действие солнечной энергией. Париж, 1878 г.

Стекло, легко пропуская коротковолновое излучение, создает небольшое препятствие проникновению солнечной энергии, но в то же время оно является плохим проводником длинноволново­го излучения. После того как энергия солнца проникла через стекла окна и была поглощена каким-либо материалом внутри помещения, тепловая энергия путем излучения практически не передается наружу. Следовательно, стекло работает как тепло­вая ловушка. Это явление, известное под названием «парниковый эффект», с давнего времени используется в теплицах, которые достаточно прогреваются в солнечные дни даже в середине зимы. Солнечные коллекторы для отопления зданий, обычно называе­мые плоскими коллекторами, почти всегда имеют одно или нес­колько стеклянных покрытий, хотя вместо стекла часто применя­ются различные пластмассы и другие прозрачные материалы.

Под верхней пропускающей солнечные лучи пластиной в кол­лекторах имеется другая пластина, которая поглощает энергию
падающих на нее солнечных лучей. Эта поглощающая (тепловос­принимающая) пластина часто изготавливается из меди, алюми­ния, стали или другого подходящего материала и обычно покры­вается либо черной краской, либо одним из многих сложных по составу селективных покрытий, которые способствуют поглоще­нию большей части энергии излучения при малом уровне отраже­ния и переизлучения. После того как энергия поглощена, она мо­жет быть использована. Стеклянные покрытия коллектора приз­ваны снижать потерю тепла с лицевой стороны, а изоляция уменьшает потерю тепла через тыльную часть.

От поглощающей пластины тепло передается к жидкому или газообразному теплоносителю, поток которого омывает поглоща­ющую пластину при помощи насоса или воздуходувки. Жидкости (вода или незамерзающий теплоноситель типа этиленгликоля) протекают вдоль зачерненной теплоприемной поверхности или через трубки, вделанные в поглощающую пластину. Если в каче­стве теплоносителя используется воздух, то для улучшения теп­лообмена между воздухом и поверхностью поглощающей пласти­ны необходимо, чтобы площадь этой пластины была развита за счет множества небольших выступов неправильной формы.

В некоторых случаях можно осуществлять прокачку теплоно­сителя (жидкого или газообразного), не прибегая к механиче­ским средствам, а путем использования эффекта естественной конвекции, или термосифона. По мере подвода тепла нагретые слои жидкости поднимаются вверх, а их место занимают более холодные объемы. Если коллектор установлен с наклоном или вертикально, это положение будет вынуждать жидкость двигать­ся вдоль поглощающей пластины коллектора по всему тракту без затраты какой-либо дополнительной энергии. Некоторые си­стемы работают именно по такому простому принципу, и при правильной установке работают весьма эффективно. Однако пе­рекачивание с помощью насо­сов обычно обеспечивает боль­ший КПД коллектора и дает большие возможности при ис­пользовании тепла.

Это тепло может быть ис­пользовано для отопления жи­лых помещений здания с при­менением традиционных мето­дов, например с помощью ра­диаторов и регистров воз­душного отопления. В перио­ды, когда отопление здания

Рис. 1 3 Стекло как тепловая ловуш­ка, черная поверхность как поглоти­тель

Рис 14 Художественный эскиз солнечной электростанции Система зеркал, установленная в поле, фокусирует отраженные солнечные лучи на котел Обыч­ная паровая турбина преобразует энергию пара в электрическую энергию

не требуется, подогретые в коллекторе воздух или жидкость мо­гут направляться в контейнер для аккумулирования тепла В случае применения в качестве теплоносителя воздуха аккуму­лятором тепла может служить контейнер с камнями или с ка­ким либо другим теплоаккумулирующим материалом. Если теп­лоносителем является жидкость, то аккумулятор, как правило, представляет собой хорошо изолированный бак с водой, облада­ющей хорошей теплоемкостью. Тепло может также аккуму­лироваться в контейнерах с эвтектическими солями или соля­ми с фазовый переходом. Эти соли, способные аккумулировать большое количество тепла в сравнительно малом объеме, при плавлении в процессе нагрева накапливают тепло и отдают его потом при охлаждении и кристаллизации Когда здание требует­ся отапливать, воздух или вода из отопительной системы прохо­дит через аккумулятор тепла, нагревается и поступает в обычные отопительные приборы для обогрева помещений

Так как системы солнечного теплоснабжения не могут функ­ционировать в течение долгих периодов холодных, малосолнеч­ных дней, лишь немногие проекты, осуществленные на сегодняш­ний день, обеспечивают все потребности здания в отоплении при помощи солнечной энергии. Система, способная обеспечить до­статочное количество тепла для потребителя в течение этих периодов, будет иметь настолько большие габариты, что допол­нительные расходы редко оказываются оправданными. Поэтому система солнечного отопления почти всегда требует наличия еи-

Рис. 1.5. Солнечный коллектор площадью 230 м2 здания средней школы «Фокь — ер» (Уоррентон, шт. Виргиния, 1974 г.). Проект солнечной установки выпол­нен фирмой «Интертекнолоджи корпорейшн»

стемы обычного отопления в качестве дублирующей. То же са­мое справедливо и для систем солнечного охлаждения.

В большинстве случаев систему солнечного теплоснабжения и традиционную можно успешно объединять. Однако при этом могут потребоваться довольно существенные переделки традици­онной системы. Например, системы солнечного нагрева наиболее эффективны в работе при пониженных рабочих температурах. В этом случае коллекторы поглощают больше тепловой энергии, а потери системы — меньше. Обычная же система водяного ото­пления работает при сравнительно более высоких температурах. Поэтому оптимальная система потребует более низкого уровня рабочей температуры и несколько другого подхода ко всей систе­ме отопления в целом. По этой причине обычно трудно «вписать» систему солнечного отопления в существующую традиционную систему. Однако имеется ряд других способов использования солнечной энергии для существующих зданий, некоторые из них будут рассмотрены ниже.

Тепловая энергия солнечной радиации может быть использо­вана для охлаждения зданий на основе принципа абсорбционно­го охлаждения, на котором работают газовые холодильники. Однако используемое в настоящее время оборудование требует довольно высоких рабочих температур, намного превышающих температуры, соответствующие эффективной утилизации солнеч­ной энергии. Большая часть проведенных в этой области исследо­ваний посвящена разработке систем, работающих при меньших температурах, и разработке коллекторов, которые более эффек­тивны при повышенных температурах. Однако, вероятно, потребу­
ется еще много времени, прежде чем системы солнечного охлаж­дения, в которых применяются солнечные коллекторы, будут жизнеспособны. В этой книге также рассматриваются и другие виды солнечного охлаждения, такие как компрессионные и осно­ванные на естественном охлаждении.

В различных частях мира миллионы людей используют сол­нечные энергетические установки для подогрева питьевой воды, которые выпускаются промышленностью. Правительство Австра­лии приняло решение обеспечивать все новое жилье в северной части страны солнечными подогревателями воды при использо­вании для этой цели и электроэнергии. Широко применяются солнечные водоподогревагели в Израиле. В Японии, например, получили распространение простые пластмассовые водоподогрс — ватели без дублирующих источников энергии. Существует актив­ная индустрия производства солнечных водоподогревателей во Флориде и Калифорнии. Из-за сравнительно низких цен на кон­курирующие виды топлива и трудностей эксплуатации солнеч­ных водоподогревателей при их работе при отрицательных тем­пературах солнечный подогрев воды до сих пор не получил ши­рокого распространения в северных странах. Однако по мере роста цен на природное топливо и совершенствования солнечных коллекторов солнечный подогрев воды в странах с холодным климатом начинает постепенно находить свое применение.

Пожалуй, наилучшим способом использования солнечной энергии для подогрева воды является применение подогревателя, нагревающего воду из городского водопровода или колодца до температуры коллектора, затем подача ее в обычный бытовой водоподогреватель, где ее температура при необходимости мо­жет быть поднята выше. При этом КПД коллектора будет доста­точно высоким, и не надо будет стремиться к использованию ис­ключительно только солнечной энергии, поскольку дублирующее устройство явится составной частью самой системы. Этот вопрос обсуждается ниже в разделе о подогреве воды.

Помимо использования для отопления, охлаждения зданий и подогрева воды солнечная энергия может быть преобразована в электричество следующими пятью основными способами.

1. Используя низкотемпера­турную разность на уровне 16—22° между нагретыми солн­цем верхними и нижними хо­лодными слоями воды в океане.

Рис 1 6 Солнечный коллектор на крыше здания средней школы «Гро­вер Кливленд» (Дорчестер, шт. Мас­сачусетс, (1974 г). Проект солнечной установки выполнен фирмой «Дже — нерал Электрик»

Рис. 1.7. Семь солнечных панелей на крыше нового административного и на­учно-исследовательского центра древесного питомника Нью-Йоркского бота­нического сада в Милбруке (шт. Нью-Йорк, 1976 г.). Проект здания выпол­нен архит. Малькольмом Б. Уэллсом: проект солнечной установки и оборудо­вания выполнен фирмой «Дабин-Минделл-Блум»

может работать тепловая машина. Такая машина имеет привод на генератор, вырабатывающий электроэнергию или водород­ное топливо. По словам д-ра Уильяма Херонемуса из Массачу­сетского университета, такие электростанции могут быть конку­рентоспособны по стоимости со станциями, работающими на природном топливе.

2. Используя энергию ветра, вызываемого солнечной радиа­цией, можно вращать воздушную турбину (ветряной двигатель), которая в свою очередь является приводом генератора, выраба­тывающего электроэнергию. Энергия ветра может быть также преобразована в механическую энергию, например для перекач­ки воды.

3. Используя солнечную энергию с помощью фотосинтеза, можно выращивать растения и другие организмы типа водорос­лей, которые могут служить топливом вместо угля после соответ­ствующей обработки (сушки, дробления или измельчения). Вы­ращенные под солнцем такие растения можно использовать в ка­честве топлива, например, для отопительных печей и котлов. Эффективность фотосинтеза составляет 0,3—3% в зависимости от используемого вида растительности. Из-за малой эффективно­сти такого вида преобразования для обеспечения значительного количества энергии требуются большие земельные площади. На­пример, для удовлетворения текущих энергетических потребно-

стей США потребуется около 3% всей площади суши страны.

В декабре 1972 г. в отчете комиссии по науке и астронав­тике палаты представителей США указывалось, что при сов­ременной технологии выращи­вания растений имеющиеся из­быточные сельскохозяйствен­ные угодья можно с успехом использовать для производства горючего растительного топли­ва. По состоянию на декабрь 1972 г. в стране обрабатыва­лось 1 217 000 км2 земли, при этом излишки составляли 243 000 км2. Авторы отчета оп­ределили, что за счет использо­вания этих избыточных площа­дей можно получить достаточ­но топлива, чтобы удовлетво­рить 10% энергетических по­требностей США, планируемых на 1985 г.

Органический продукт мож­но также превратить в метан, водород или нефть при помо­щи деструктивной перегонки (пиролиза), химической обра­ботки под высоким давлением или биохимической фермента­ции. Пиролиз представляет со­бой процесс, при котором орга­нические вещества нагревают­ся при отсутствии воздуха. При химической обработке под высо­ким давлением органические вещества нагреваются под давле­нием в присутствии воды и двуокиси углерода в качестве защит­ного газа. В последние 20 лет в США применяются несколько процессов биохимической ферментации, в результате которых получают метан, используемый в качестве топлива, в процессе очистки сточных вод. Однако задача большинства очистных станций заключается в обработке стоков, а не в производстве топлива. Водород можно получить также в процессе электроли­за (разделения воды на водород и кислород) за счет солнечной энергии, сжигать его затем в качестве топлива или использовать для производства электроэнергии.

Отходы лесного хозяйства и бытовой мусор можно использо­вать непосредственно в качестве топлива для производства энер-

Рис. il.9. Грасси-Брук Вилледж, солнечный комплекс из 10 жилых единиц в Бруклине (шт. Вермонт, 1976 г.). Спроектирован архитектурной фирмой «Пипл / Спейс Ко.». Солнечное и комплектующее оборудование разработано фирмой «Дабин-Минделл-Блум». Построен под руководством Ричарда Блазей

гии или косвенно для получения других видов топлива, например метана или метанола. Согласно оценке, отходы от текущих лесо­заготовительных работ могли бы удовлетворить 10—20% энерге­тических потребностей США 1975 г. [2].

4. Непосредственное преобразование солнечной энергия в электроэнергию может быть осуществлено с помощью фото­элементов. Кремниевые солнечные батареи широко применяются в настоящее время на космических кораблях с КПД в среднем около 10%. Однако затраты при этом достигают миллиона дол­ларов на 1 кВт мощности. Для наземного применения, например для отдельно стоящих морских нефтяных вышек, батареи не­сколько более низкого качества обеспечивают КПД от 4 до 5%. Максимальный теоретический КПД для фотоэлектрического пре­образователя составляет около 35%, однако реально достижимым считается КПД на уровне 20%. Поликристаллические преобра­зователи имеют более низкий КПД, чем применяемые сейчас в космических кораблях монокристаллические, но они дешевле. Для увеличения интенсивности солнечной радиации на неболь­шой площади можно использовать концентраторы, значительно повышающие отдачу солнечных батарей. Стоимость таких уста­новок может быть снижена до 2000 долл, за 1 кВт пиковой мощ­ности, а возможно и ниже.

Фотоэлектрические батареи можно использовать для выра­ботки электроэнергии в крупных масштабах, если занять для этого многие квадратные километры земли. На сегодня они при­емлемы и для отдельных сооружений, что продемонстрировано на примере, пожалуй, наиболее технологичного дома, питаемого солнечной энергией, из всех когда-либо построенных. В этом до­ме (университет, шт. Делавэр, США) солнечная радиация пре­образуется не только в тепло, но и в электроэнергию при помощи фотоэлектрических батарей.

5. Применение концентрирующих коллекторов для нагрева теплоносителей, которые используются в тепловых двигателях, вращающих генераторы, предназначенные для выработки элек­троэнергии. Современные низкотемпературные коллекторы типа плоских коллекторов, описанных выше, вполне пригодны для отопления зданий и подогрева воды. При дальнейшем совершен­ствовании эти устройства будут способны снабжать энергией хо­лодильное оборудование абсорбционного типа. Однако они не пригодны для высокоэффективного производства электроэнергии или для получения искусственного топлива при помощи тепло­вых процессов. Для этой цели требуются концентрирующие кол­лекторы, обеспечивающие получение более высоких темпера­тур. Энергия солнечного излучения собирается со сравнительно большой площади коллектора в небольшой приемник, из кото­рого она поступает в аккумулятор. Такие концентраторы обыч­но имеют параболическую или цилиндрическую форму и позво­лят достичь температур до 500° С и выше.

Сезонная эффективность большинства фокусирующих кол­лекторов часто ниже, чем у плоских, из-за более высоких рабочих температур. Кроме того, поскольку они воспринимают прямую, а не диффузную радиацию, для их работы требуется безоблачное небо. Плоские коллекторы в противоположность концентрирую­щим могут использовать солнечную радиацию и в виде рассеян­ной. Этим объясняется то, что концентрирующие коллекторы, как правило, сравнительно дороги.

Учеными предложены схемы преобразования солнечной энер­гии в электрическую в больших масштабах с помощью станций, состоящих из концентрирующих устройств и занимающих многие квадратные километры территории, главным образом в тех райо­нах, где редко бывает облачность, например в пустыне шт. Ари­зона. Согласно различным проектам, сотни таких станций будут занимать многие тысячи квадратных километров пустынь. В Со­единенных Штатах пустыни занимают более 100 тыс. км2, и при­мерно 10% этой площади предполагается использовать для этой цели.

По мнению Уолтера Э. Морроу (лаборатория им. Линкольна Массачусетского технологического института), если принять КПД преобразования солнечной энергии в электрическую на уровне 30%, то текущие потребности США в электроэнергии мо­гут быть удовлетворены солнечными энергетическими установ­ками, расположенными па общей площади около 5200 км2. «Это составляет около 0,03% всей площади сельскохозяйственных угодий США и около 2% площадей, отведенных под дороги, что примерно равно площади крыш всех зданий в США» [2].

В последние годы, особенно в период после известного нефтя­ного эмбарго в отопительный сезон 1973/74 гг., солнечная энер­гия признается в качестве энергетической альтернативы, к реа­лизации которой можно приступить немедленно. В течение двух последующих лет федеральные расходы на эти цели выросли с 13 до 75 млн. долл, в 1975/76 финансовом году. Следует отме­тить, что частный сектор, конкурируя с государственными орга­низациями, принимает активное участие в реализации имею­щихся решений и поисках новых. За те же два года количество солнечных зданий в США возросло от считанных единиц до не­скольких тысяч, в том числе и находящихся в стадии проекти­рования.

Солнечная энергия для отопления и охлаждения помещений, по-видимому, будет пользоваться широким признанием в случае, если:

потребитель сможет использовать эту энергию в течение большей части года;

в данной местности солнечные дни преобладают;

обычные виды топлива дороги;

применение солнечных установок возможно при умеренных температурах.

В противоположность часто высказываемому мнению следует отметить, что солнечные тепловые установки можно применять не только для теплого, но и для холодного климата. Очевидно, что чем продолжительнее и холоднее отопительный сезон, тем больше требуется тепла, которое должно поглощаться и хра­ниться солнечной установкой. Однако горячее водоснабжение за счет солнечной энергии может применяться круглый год, и в этом случае применение солнечной энергии более эффективно, чем для отопления. В плане долгосрочного рассмотрения энергети­ческих потребностей тот район страны оказывается в лучшем положении, в котором имеется больше солнечных дней. В то же время любой район страны испытает на себе влияние роста цен на традиционные виды топлива.

Как отмечалось выше, солнечное теплоснабжение целесооб­разно, когда температура горячей воды или воздуха, нагретого в солнечной установке для отопления помещений, получения го­рячей воды, охлаждения и кондиционирования воздуха, не пре­вышает 90° С. В 1968 г. эти потребности составили около 11% всего национального потребления энергии. Пожалуй, более по­казательно то, что это составляло 76% энергии, потребляемой промышленными предприятиями. Около 28% всей энергии на промышленные цели приходилось на такое теплоснабжение, со­ставляя 11,5% всего национального потребления в 1968 г.

Исходя из традиционных экономических критериев солнечная энергия теперь нередко конкурирует с ископаемым топливом и

электроэнергией, в первую очередь в части отопления зданий и подогрева воды для бытовых нужд. Солнечная энергия может использоваться в большинстве типов зданий: школах и других общественных зданиях, передвижных домиках, существующих и новых жилых домах.

Школы особенно пригодны для использования солнечной энергии по нескольким причинам: 1) их высокие требования к качеству отопления и кондиционирования вызывают соответствующие требования к коллекторам; 2) школы обычно имеют не более трех этажей с достаточной площадью крыши для установки коллекторов. Кроме того, коллекторы дополнительно могут быть размещены на стенах, не имеющих окон, и крышах таких помещений, как спортзалы; 3) при сравнительно большой массивности школьные здания не испытывают значительных тем­пературных колебаний по сравнению с легкими зданиями, а это в свою очередь налагает на систему солнечного теплоснабжения более равномерную нагрузку и дает возможность быстрее оку­пать первоначальные капиталовложения; 4) хотя фонды на школьное строительство ограничены и получить ассигнования не­просто, процентная ставка довольно низкая, что обеспечивает меньшую первоначальную стоимость и меньшие издержки за срок службы, чем для промышленных и жилых зданий, и 5) там, где школьный совет обычно встречает трудности при получении ассигнований на эксплуатацию и ремонт (которые уменьшаются при использовании солнечной энергии), он сможет сравнительно легко получить такие ассигнования и при более значительных первоначальных расходах, если принято решение использовать солнечные коллекторы. Это особенно характерно для нашего времени всеобщей озабоченности экологическими и энергетиче­скими проблемами.

Если занятия в школе начинаются не с утра, а несколько поз­же, то можно более эффективно использовать солнечную энер­гию, поступающую непосредственно через окна, используя при этом тепловую инерцию здания. Это даст возможность в безоб­лачное утро до начала занятий обогревать солнечной радиацией классные помещения, окна которых обращены на восток и юг. Это мероприятие обеспечит также более эффективное использо­вание тепловой энергии солнечного излучения, которая накапли­вается в течение дня со времени не ранее чем через час или два после восхода солнца. Благодаря этому уменьшается количество энергии, потребной для пуска системы отопления, вентиляции и кондиционирования, что в свою очередь уменьшает нагрузку на систему коммунальных сетей в период сравнительно большого спроса. Избыточное тепло от системы солнечного отопления шко­лы может быть использовано соседними зданиями.

Пытаясь более эффективно содействовать широкому исполь­зованию солнечной энергии и представить конгрессу некоторые результаты, Национальный научный фонд в январе 1974 г. за­ключил четыре контракта на строительство экспериментальных систем солнечного отопления для средней школы, двух зданий младших классов средней школы и начальной школы. Эта про­грамма под названием «Солнечная энергия: эксперименты по отоплению школьных зданий» нацелена «на совершенствование технологии применения солнечной энергии для отопления поме­щений и приготовления горячей воды, а также на получение ин­формации о том, при каких условиях такие системы могут быть экономически оправданными и социально приемлемыми».

Строительство объектов было закончено в марте 1974 г. Во всех школьных зданиях солнечные установки обеспечивали только теплоснабжение. Солнечные коллекторы площадью

464,5 м2 для здания младших классов средней школы «Норд Вью» (г. Оссео, шт. Миннесота) и коллекторы площадью 232 м2 для средней школы «Фокьер» (г. Уоррентон, шт. Виргиния) были установлены на земле на специальных опорах. Солнечные коллекторы площадью 418 м2 для младших классов средней школы «Гровер Кливленд» (г. Дорчестер, шт. Массачусетс) и коллекторы площадью 529 м2 для школы в Балтиморе (шт. Мэ­риленд) были установлены на крышах школьных зданий.

Главная задача при создании этих объектов заключалась в сборе данных по «эксплуатационным характеристикам коллек­торов, надежности систем, уточнению оценок по эксплуатацион­ным и ремонтным расходам, социальному воздействию, приемле­мости для разных школьных зданий в различных районах, а так­же для существующих и проектируемых сооружений». В стои­мость контракта входили расходы на оборудование, его монтаж и эксплуатацию и на обработку данных. Управление по энерге­тическим исследованиям и разработкам (ЭРДА) ассигновало средства группе фирм для переоборудования еще одной школы («Джордж А. Таунс»), находящейся в Атланте, шт. Джорджия. Этот объект, законченный в 1975 г., должен был продемонстри­ровать возможность использования солнечной энергии как для отопления, так и для кондиционирования.

Помимо учреждений федерального правительства учебные здания, отапливаемые и охлаждаемые при помощи солнечной энергии, строят и другие организации. Департамент обществен­ных работ шт. Колорадо поручил фирме «А. Б. Р. Партнершип, Аркитектс» (г. Денвер, шт. Колорадо) спроектировать северный студенческий городок Коммьюнити-колледжа в Денвере. Весь комплекс площадью более 30 000 м2 должен отапливаться за счет солнечной энергии. Солнечное отопление и другие мероприятия по экономии энергии увеличивают стоимость объекта на 10%. За­конодатели шт. Колорадо беспрецедентно единогласно проголо­совали за финансирование дополнительных издержек. Капитало­вложения должны быть возвращены штату за 10—15 лет, после чего штат начнет реализовывать накопления, которые составят в среднем более 60 000 долл, в год.

Помимо школ солнечная энергия используется и в других общественных зданиях. Управление служб общего назначения федерального правительства взяло на себя инициативу по­строить в качестве показательных объектов два административ­ных здания. Цель создания показательного объекта в г. Сагино (ілт. Мичиган) заключается в том, чтобы подчеркнуть твер­дую приверженность управления заботе об окружающей среде при проектировании, строительстве и эксплуатации федераль­ных зданий, а также в создании крупномасштабной лаборато­рии для проверки как признанных, так и новаторских методов создания таких объектов и оборудования, способствующих со­хранению окружающей среды. Преследуется также цель дать пример другим представителям строительной отрасли в отноше­нии усилий, направленных на улучшение защиты окружающей среды. Второй объект (г. Манчестер, шт. Нью-Гэмшнир) является показательным в отношении только экономии энергии без рас­смотрения экологических проблем в широком плане, как это было предусмотрено программой для объекта г. Сагино.

Почтовая служба США (ЮСПС), Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и Национальное бюро стандартов (НБС) также способ­ствуют на федеральном уровне развитию работ по использова­нию солнечной энергии. Обогреваемое солнечной энергией поч­товое отделение в Ридли-Парке (шт. Пенсильвания) служит в качестве образца для будущих проектов таких зданий ЮСПС. Если эксперимент в Ридли-Парке окажется успешным, то ЮСПС применит этот опыт в большинстве зданий почтовых отделений.

В 1974 г. НАСА объявило о своих планах построить инженер­ный корпус площадью около 5000 м2 в исследовательском центре Лэнгли в шт. Виргиния, который будет отапливаться и охлаж­даться при помощи солнечной энергии. Проект предусматривает установку коллектора площадью 1390 м2.

Национальное бюро стандартов, расположенное в Гейтесбур — ге (шт. Мэриленд), играет активную роль в поощрении работ по использованию солнечной энергии. В 1974—1975 гг. бюро раз­работало стандарт на методику испытаний для определения ха­рактеристик как солнечных коллекторов, так и теплоаккумули­рующих устройств. Первоначальные рекомендации будут уточняться в НБС после экспериментальной проверки. Другой объект НБС представляет собой жилой дом на одну семью, кото­рый эксплуатируется с 1972 г. для изучения срока службы соо­ружения и изучения воздействия на него окружающей среды. Дом имеет все необходимое оборудование и обстановку. Перво­начально он был помещен в большую камеру искусственного климата, в которой температура могла меняться в пределах от —45 до +65° С. В своих расчетах НБС предсказывает спрос на энергию с ошибкой 10% (часто гораздо меньше) при различных летних и зимних эксплуатационных условиях. В 1974 г. после то­го, как бюро спроектировало систему солнечного отопления и ох­лаждения для этого дома, дом был удален из камеры, и испыта­ния были продолжены.

Нью-Йоркский ботанический сад применяет систему солнеч­ного отопления и другие новые методы экологической технологии в своем административном и научно-исследовательском здании в районе Мнллбрук (Нью-Йорк), а также в своем древесном пи­томнике. Это здание было спроектировано архитектором-консер — вационистом Малькольмом Б. Уэллсом из шт. Нью-Джерси, ко­торый сказал, что оно будет «добрым к природе».

Среди особенностей здания следует отметить наличие рецир­куляции воздуха, воды и отходов, а также покрытие крыши зем­лей. Грунтом также засыпаны северные и восточные стены. Кро­ме того, с северной стороны здания посажены деревья для защиты здания от холодных зимних ветров. Стены выполнены из бетона, а изоляция положена на стены с наружной стороны с тем, чтобы увеличить теплоемкость здания. Окна имеют двойное остекление, а ставни, которые могут закрываться на ночь для уменьшения потерь тепла, расположены с внутренней стороны. Коллекторы площадью от 745 до 930 м2 размещены на крыше в виде зубьев пилы и состоят из семи параллельных наклонных панелей, следующих одна за другой. Участок крыши между па­нелями дополнительно отражает радиацию на расположенную перед ним панель. Оборудование изготовлено фирмой «Дабин — Минделл — Блум, ассошиэйтс» (Нью-Йорк).

Помимо жилых домов и ряда школьных проектов, финанси­руемых Национальным научным фондом, проводятся модифика­ции зданий в крупных масштабах в промышленности, в частно­сти фирмой «Дженерал электрик» на своем заводе в Вэлли — Фордже (шт. Пенсильвания). Солнечные коллекторы площадью 455 м2 обеспечивают основную долю нагрузки в отоплении и при­готовлении горячей воды для пищеблока площадью 1850 м2.

Переоборудование существующих зданий, в том числе пяти школьных объектов, финансирование которого осуществляется Национальным научным фондом, является одной из наиболее су­щественных областей применения солнечного отопления. Боль­шинство из миллионов зданий в США в следующем веке не будет существовать п потреблять энергию. Через 20—30 лет количество зданий и построек в стране удвоится. Для многих существующих зданий сейчас проще снизить расход топлива па отопление бла­годаря применению солнечной установки, а не в результате уси­ления изоляции стен и крыш. Солнечные коллекторы можно устанавливать на земле в виде отдельно стоящих сооружений или в ряде случаев прикреплять к стенам зданий. Чаще всего их можно размещать поверх скатных и плоских крыш.

Переоборудование существующих зданий будет рассмотрено более подробно ниже, в том числе в разделе «Отдельно стоящие коллекторы» и в части III. Первые две системы солнечного ото­пления, одна была предложена Дж. Лёфом, г. Боулдер, шт. Ко­лорадо (1945), другая — Рэймондом Блиссом и Мэри Донован, г. Амадо, шт. Аризона (1954), были разработаны применительно к существующим зданиям.

Одним из самых старых действующих солнечных домов яв­ляется здание, переоборудованное для использования солнечной энергии, которое находится вблизи студенческого городка уни­верситета шт. Флорида в г. Гейнесвилл. Этот дом был построен в 1955 г. механико-техническим факультетом сначала с целью измерения потоков тепла, поступающих и выходящих из здания. В 1968 г. дом был переоборудован под солнечное отопление. Доктор Эрик Фарбер, один из признанных авторитетов в области солнечной энергетики, является руководителем группы специа­листов по использованию солнечной энергии этого факультета, которая занимается широким кругом проблем, в том числе раз­работкой двигателей на солнечной энергии, солнечных насосов, плит, солнечного холодильного оборудования, солнечных подо­гревателей воды в бассейнах и солнечных опреснителей воды. Солнце нагревает воду для бытовых нужд, отапливает и охлаж­дает дом, подогревает воду в плавательном бассейне и приводит в действие систему рециркуляции жидких отходов (посредством дистилляции). Солнце также вносит вклад в питание системы электропреобразования для телевидения, радио, освещения, бы­товых приборов и солнечного электромобиля.

По словам Ричарда Дж. Стейна, городского архитектора Нью-Йорка, в следующие два десятилетия во всем мире будет построено полтора миллиарда жилых единиц. Только в США до начала 80-х годов ежегодно будет строиться в среднем 1,5 млн. домов. Естественно, что специалисты, занимающиеся проблемой использования солнечной энергии, предпочитают рассматривать строящиеся дома, в которых они имеют большие возможности во­площать свои замыслы. К 1976 г. были построены сотни солнеч­ных домов, а еще несколько тысяч находились в стадии проекти­рования или строительства.

Пожалуй, наиболее сложным в техническом смысле является солнечный дом университета шт. Делавэр. По словам первого ди­ректора университетского института по экономии энергии д-ра Карла Бэра, «это — первый дом, в котором предпринята серьез­ная попытка собрать как электрическую, так и тепловую энер­гию». Тепловая энергия используется для отопления и охлажде­ния здания, а также для подогрева воды для бытовых нужд. Элек­троэнергию получают при помощи солнечных элементов на осно­ве сульфида кадмия. Электроэнергия, поступающая от солнеч­ных элементов, накапливается в свинцовых автомобильных аккумуляторах и используется для освещения и других целей, где возможно применение постоянного тока. В конечном счете, дом может быть снабжен дополнительным оборудованием для преобразования постоянного тока в переменный напряжением 115 В. Эти фотоэлементы являются частью тех же плоских кол­лекторов, через которые проходит и нагревается воздух.

Теплоаккумулирующая система была разработана д-ром Ма­рна Телкес, которая работала в области солнечной энергии на­чиная со времени создания первых солнечных домов Массачу­сетского технологического института (40-е годы). Система со­стоит из пластмассовых контейнеров, содержащих эвтектические соли. По мере плавления эти химические соединения поглощают большое количество тепла; при затвердевании соли отдают на­копленное тепло.

Основной недостаток этого работающего на солнечной энер­гии дома состоит в нынешней высокой стоимости солнечных эле­ментов. И все же такие элементы из сульфида кадмия или анало­гичные им будут в конечном счете достаточно дешевы, чтобы получить широкое распространение.

В университете шт. Колорадо проводятся испытания и оценка трех жилых домов, использующих солнечную энергию. В первом доме, построенном в 1974 г., применяется жидкостная система солнечного отопления, охлаждения и горячего водоснабжения. Насколько известно, это первая система солнечного теплоснаб­жения жилого дома, спроектированная, построенная и исследо­ванная при использовании традиционного оборудования и имею­щая кондиционер воздуха на бромиде лития. Установка другого дома также представляет собой жидкостную систему, но другой конструкции. В третьем доме применена воздушная система. Эксплуатационные характеристики всех трех домов подвергают­ся проверке и сравнению.

В 1975 г. в Гилфорде (шт. Коннектикут) проф. Эверетт Бар­бер из Йэльского университета построил для своей семьи солнеч­ный дом площадью 110 м2. В экономичном в отношении исполь­зования энергии доме применялись плоский солнечный коллек­тор и система, спроектированная и построенная фирмой Барбера «Сануоркс, инк.». Барбер считает, что за счет солнечной энергии обеспечивается примерно 60% потребностей его дома в отопле­нии и приготовлении горячей воды. Затем предполагалось уста­новить два ветряных двигателя, которые на 80% должны заместить расход электроэнергии, поступающей от местной элек­трической компании.

В августе 1974 г. на Лонг-Айленд-Саунд в шт. Коннектикут был сооружен дом, инженерную часть проекта которого вел проф. Барбер, а архитектором был Дональд Уотсон (Американ­ский институт архитекторов) из Гилфорда, шт. Коннектикут. В этом доме на одну семью, предназначенном для круглогодич­ного использования, более половины потребностей в конвекцион­ном отоплении и почти все потребности в энергии для приготов­ления горячей воды удовлетворяются с помощью модульной системы плоских коллекторов конструкции Барбера. Согласно архитектурным ограничениям высоты домов, принятым в этой зоне, крыша любого здания не должна возвышаться более чем на 6 м. Поэтому три ориентированных на юг коллектора были рас­положены в виде зубьев пилы, что в свою очередь обеспечивало верхнее освещение и прекрасную естественную вентиляцию вну­тренних помещений. Каждый модульный элемент имел ширину 0,6 м и высоту около 1,8 м. Кроме системы солнечного отопления в здании был применен ряд направленных па экономию энергии решений, среди которых можно отметить размещение и размеры окон для естественного дневного освещения и вентиляции. Ко­зырьки над окнами большой площади уменьшают летнее избы­точное тепло, но позволяют солнечным лучам проникать в дом зимой. Дом имел очень хорошую изоляцию.

В попытке упростить системы солнечного теплоснабжения проектная фирма «Тотал энвайронментал экшн, инк.» (г. Хар — рисвилл, шт. Нью-Гэмпшир) спроектировала солнечный дом для строительства близ Манчестера, Нью-Гэмпшир. Дом сочетает в себе тщательно продуманный архитектурный замысел и систе­му солнечного отопления, которая сочетается с многочисленными окнами в южной стене дома. Единственным механическим обору­дованием отопительной гелиоустановки является передвижная изоляция, которая дает возможность открывать коллектор лучам солнца в течение дня и защищать его от потерь тепла ночью.

Коллектором, который кроме поглощения тепла может еще и аккумулировать его, является бетонная стена толщиной 300 мм. Концепция такого коллектора была в свое время приме­нена Феликсом Тромбом и Жаком Мишелем в г. Одейо, Франция (см. часть III). Между бетонной стенкой — коллектором-накопи­телем и внешней средой устанавливается прозрачная стеновая панель. Когда светит солнце, панель прозрачна, и через нее видна бетонная стена. Когда солнца нет, стена покрывается крошеч­ными капельками полистирола, образующими изоляционный барьер между теплым бетоном и холодной внешней средой. Теп­ло поступает в жилые помещения в результате теплопроводности материалов и естественной конвекции воздуха. Эта концепция была разработана фирмой «Зоумуоркс корпорейшн».

Примером поиска решений полной независимости от внешних источников энергии является ферма супругов Роберта и Эйлин Рейнесов, расположенная недалеко от Альбукерке (шт. Нью — Мексико). Рейнесы построили обогреваемый солнцем купол, ко­торый, как они заявили, является первым в мире жильем, на 100% отапливаемым солнцем и снабжаемым энергией за счет ветра. Они спроектировали дом и построили свой образ жизни в соответствии с требованием минимальных затрат энергии. Энергия, которой они пользуются, поступает от солнца в виде тепла и от ветра в виде электричества.

Система солнечного отопления конструктивно отделена от купола. Для отопления помещения внутри купола применяются радиаторы, в которые поступает вода из теплоаккумулирующего бака емкостью 11 350 л. Тепло в куполе может поддерживаться в течение 10 дней облачной погоды при температурах, близких к отрицательным. Внутри купола температура могла поддержи­ваться в пределах 18—29 °С. Приводимые в действие ветром ге­нераторы заряжают 16 аккумуляторных батарей большой емко­сти, которые питают электронагреватели воды для бытовых нужд и приводят в действие бытовые электроприборы. Запасен­ная энергия является единственным источником электроэнергии для дома. Электролампы общей мощностью до 150 Вт обеспечи­вают достаточную освещенность в любой части дома.

Боб Рей’нес считает, что обычное сооружение тех же габари­тов потребует примерно в десять раз больше тепловой энергии для поддержания той же температуры и примерно в пять раз больше электроэнергии. Он и его коллеги продолжают работать над разработкой эиергоэкономичных холодильников, светильни­ков, кухонного оборудования, устройств для водоснабжения и удаления отходов, а также закрытых систем производства про­дуктов питания, которые круглый год могут обеспечивать жите­лей дома свежими овощами и фруктами.

Помимо домов с автономными системами солнечного тепло­снабжения проектируются также и солнечные общины с тем, чтобы воспользоваться возможностью снизить затраты и повы­сить эффективность работы системы. Исследования, проведенные лабораториями «Сандиа» в Альбукерке (шт. Нью-Мексико), по­казали, что солнечная община в Альбукерке может удовлетво­рять свои энергетические потребности на 60% за счет солнца. Солнечная энергия будет централизованно собираться и хранить­ся, а затем распределяться по отдельным домам и предприятиям в виде электричества, тепла, горячей воды или кондиционирован­ного воздуха. Проектная численность поселка составляет от 100 до 1000 единиц, включая дома, квартиры и небольшие мастер­ские. Эту концепцию можно также применить к существующим поселкам сравнимого размера. Для проверки этой концепции планируется строительство подобного опытного объекта.

Одним из наиболее впечатляющих проектов использования солнечной энергии является поселок Грасси-Брук-Вилледж в Бруклине (шт. Вермонт). Первая очередь этого объекта преду­сматривала строительство 10 жилищных единиц; вторая оче­редь — еще 10 единиц. По словам застройщика Ричарда Блазея, жилищные единицы «спроектированы таким образом, чтобы бы­ли обеспечены принципы экологической целостности в процессе их строительства и эксплуатации…, чтобы на окружающую среду оказывалось минимальное воздействие и была обеспечена схема коммунальных и жизнеобеспечивающих систем, получаю­щих энергию от природных и незагрязняющих источников, над которыми владелец или постоянный житель может осуществлять финансовый и качественный контроль». Использование солнеч­ной энергии в общине предусматривается для отопления домов,

приготовления горячей воды, получения электроэнергии за счет

Важность роли энергии в мировой экономике стала очевидной в результате нефтяного эмбарго 1973 г. С тех пор развитие и рас­пространение идей об освоении и использовании альтернативных источников энергии получило дополнительный стимул. Однако впервые с начала космической эры наше технически развитое об­щество столкнулось с вызовом, который может быть успешно принят только в результате холистического подхода к управле­нию энергетическими ресурсами и окружающей средой. Настоя­щая книга базируется на таком подходе.

Многие исследователи рассматривают применение солнечной энергии в узком смысле, например только в качестве замены ис­копаемого топлива. Поэтому коллекторы солнечной энергии часто просто добавляются к сооружению, которое по своему типу призвано привлекать «современную», или «новую» клиентуру. Эти здания могут иметь дополнительную изоляцию, тяжелые драпировки на окнах или даже тройное остекление, однако жильцы, которые в других случаях и не подозревают, что тепло для них получают от солнца, во всем остальном продолжают ве­сти экологически разрушительный образ жизни. Когда инженеры в своих проектах солнечных энергетических систем не учитыва­ют повседневные и эстетические аспекты жизни людей, нередко возникает и индифферентное отношение к этим системам самих жильцов из-за необходимости устанавливать в домах новейшие системы контроля, которые обладают меньшей надежностью и более низкой общей эффективностью.

Переход к повсеместному использованию солнечной энергии требует нечто большего, чем подсоединение коллектора к соору­жению и оценка его успешной работы по уменьшению счетов за топливо. Этот общий подход многих инженеров, проектировщи­ков и социологов к экономии и использованию энергии должен быть изменен: нужно воспитывать новое отношение к проекти­рованию жилища. Действительно, архитектурное значение внед­рения экологической технологии в проектирование жилища ле­жит гораздо глубже, чем попытка синтезировать в одно архитектурное целое, например, огромный солнечный отопитель­ный коллектор и приданную ему емкость для аккумулирования или применить алтернативное инженерное оборудование. Нераз­рывно вплетенным в более широкое понимание взаимозависимо­сти между экологией и архитектурным проектированием должно быть осознание границы человек — природа и взаимосвязи при­родных систем.

Острая чувствительность к взаимодействию между человеком и природой является, по сути дела, предпосылкой применения экологических принципов к строительной форме. С самого нача­ла рода человеческого люди искали и иногда добивались успеха в определении своей роли в качестве членов человеческого сооб­щества на Земле, своего особого и могущественного места в эко­системе. Искусство и архитектура предоставили некоторые из наиболее чувствительных воплощений этого поиска, причем вклад каждого из них доказал возможность и даже необходи­мость синтеза. „ .

Более 20 лет назад общественный интерес к солнечной энер­гии достиг пика в результате роста цен па топливо и предсказы­ваемой нехватки энергетических ресурсов, а затем ослабел из-за сравнительно высокой стоимости солнечной энергии и усиления интереса федерального правительства к ядериой энергии. Из­вестно, что цены на энергию искусственно удерживаются на низ­ком уровне; они могут стремительно подняться, когда это будет выгодно некоторым политическим силам. Следует осторожно от­носиться и к навязчивой рекламе ядерной энергии. Специалисты, наконец, начали понимать, что мировая кладовая невозобновляе­мых природных ресурсов действительно имеет нижнюю полку, и поэтому необходимо быть экономнее с тем, что осталось, и об­ратиться к нетрадиционным источникам энергии для удовлетво­рения наших потребностей.

Сохранение энергии в строительном проектировании является естественным, легко определяемым и исключительно важным аспектом. Использование солнечной энергии для создания ком­форта в экономично спроектированных зданиях является следу­ющим логическим шагом в этом направлении. Занимаясь энерго­экономичными проектами использования солнечной энергии, я поверил в простую последовательность приоритетов: сначала экономия энергии, а потом солнечная энергия. И что еще более важно — рациональное использование энергии жильцами. Про­думанное пользование энергией может в действительности ока­заться самым важным шагом в сокращении количества ее по­требления. Повседневная бережливость в отношении энергии необходима при использовании угля, нефти, газа или ядерного топлива. Рациональное потребление энергии является настолько важным, что фактически жители любого дома, имеющего «энер­гетическую течь», могут потреблять меньше энергии, чем расто­чительные жильцы энергоэкономичного здания того же размера.

Процесс создания книги всегда труден. «Солнечная энергия (основы строительного проектирования)» не является исключени­ем. Идея написания книги появилась в 1972 г., когда я написал диссертацию «Солнечная энергия и проектирование жилища» на соискание степени магистра архитектуры в Массачусетском технологическом институте.

Созданию книги предшествовали многочисленные экспери­менты, исследования и долгие часы работы десятков специа­листов.

Особенно благодарен я профессорам Массачусетского техно­логического института (МТИ), которые готовили меня для этой работы и помогали в написании диссертации. В неменьшей сте-

пени я благодарен многим друзьям и сотрудникам, которые по­святили себя проблеме изучения солнечной энергии. Их настой­чивость и мужество при пассивности и скептицизме других помогли мне в работе. Я также признателен многим авторам и организациям за предоставление информации, большая часть которой воспроизводится на страницах книги или на нее даны ссылки.

Надеюсь, книга будет полезна специалистам. Сведения, при­веденные в ней, будут рационально использованы для улучшения жизни людей; позволят понять, почему в контексте одного мира с ограниченными ресурсами правильное использование солнеч­ной энергии явится одним из важных шагов на пути к осущест­влению этой цели.

Брюс Андерсон Харрисвилл, Нью-Гэмпшир