Архитектор А. Е. Морган.

Построена в 1961 г.

Школьное здание, упомянутое в гл. 5,— одно из старейших и лучших «солнечных зданий» в Европе (рис. 59). Это «солнечное здание», которое поглощает и сохраняет солнечную энергию в прекрасно спроектированных конструкциях, действует более 15 лет и, несмотря на крайне неблагоприятные климатические усло­вия, практически не требует никакой внешней энергии для обо­грева.

Сумма солнечной энергии в летний период составляет 120 Вт/м2/сут. Теплоотдача человека — 21,5 Вт/м2/сут, освещение да­ет 38 Вт/м2/сут. Парадоксально, что главная трудность заключа­ется в том, что часто возникает избыток солнечной энергии, кото­рая не может быть использована в полном объеме.

Вначале была установлена дополнительная тепловая систе­ма, но она не потребовалась и впоследствии была устранена. От­носительно просто построенное здание (без отдельных коллекто­ров или аккумуляторов) показывает, что вполне возможно ис­пользовать солнечнукг энергию и для больших зданий в сравни­тельно неблагоприятных климатических условиях.

9.1. КОНТОРСКОЕ ЗДАНИЕ БРИДЖЕРС-ПАКСТОН,

НЬЮ-МЕКСИКО (США) .

Архитекторы Миллер, Стенли, Райт. ‘ .’

Инженеры Бриджерс, Пакстон и Хейнс. • ■

Построено в 1956 г.

Первое в мире конторское здание с тепловым и воздушным кондиционированием (рис. 58). Установка, снабженная тепловы­ми насосами, действует еще и сегодня и практически обеспечива­ет 100% требуемой энергии. Полезная площадь здания 410 м2, общая площадь солнечного коллектора 71 м2. Коллекторы выпол­нены из алюминия («Ролл-Бонд»), а трубы обладают поглощаю­щей поверхностью. Окна имеют одинарное остекление, а их пог­лощающие поверхности избирательны. Поверхность коллектора сделана из 55 секций, соединенных вместе с уклоном 60° к югу. Средство теплопередачи — вода, теплоотдача производится через

бІюйЛбнйб в йолу й н& йотолке. Тепло сберегается в иоДземноій водяном резервуаре (1,5 м в диаметре) на 23 тыс. л. Автономия аккумулятора рассчитана на 3 дня. В установке смонтированы четыре тепловых насоса, которые работают также и для охлаж­дения воды в летнее время (количество холодной воды 7,5 т). Вы­сокая стоимость здания была обусловлена стоимостью воздуш­ного кондиционирования здания. Эта система работает вполне удовлетворительно уже более 20 лет. Технические расчеты проде­ланы Пенсильванским государственным университетом.

— В настоящее время существует несколько относительно новых проектов «солнечных городов». Наиболее известны из них два — проф. Джованни Франчия (Генуя) и проф. Ги Ротье (Ницца). В проекте «солнечного города» на 100 тыс. жителей, созданного авторским коллективом под руководством проф. Франчия в со­ставе Америфеса, Берталотта, Мареско, Пагано, все энергетиче­ские потребности, такие, как горячее водоснабжение, отопление помещений и кондиционирование воздуха, должны осуществлять­ся с помощью солнечной энергии. Солнечные лучи отражаются системой зеркал во внутренние помещения, которые таким обра­зом освещаются. Размеры предлагаемых аккумуляторов обеспе­чивают независимость здания от любой формы внешней энергии, даже при отсутствии солнца в пасмурные дни.

Проект «Экополис» Ги Ротье, осуществленный с помощью проф. Мориса Туше и инженера по солнечной энергии Анри Бу — тье, впервые был представлен в 1971 г. конгрессу Средиземно­морской кооперации по солнечной энергии. Проектируемый город состоит из расположенных на холме террас, внутренние прост­ранства освещаются через «световые коридоры». Фокусирующие солнечные коллекторы, расположенные в наружных концах ко­ридоров, направляют солнечные лучи внутрь зданий, где они ис­пользуются для освещения и отопления помещений. «Экопо­лис»— город, где внутренние пространства освещаются направ­ленными солнечными лучами. Жилье, которое занимает треть объема сооружения, расположено на наружной поверхности хол­ма. Внутри зданий размещены сады, общественные и рабочие по­мещения, торговые предприятия, магазины, службы и транспорт­ные коммуникации. Эти два проекта содержат немало фантазии, но оци заслуживают серьезного обсуждения среди архитекторов, так как демонстрируют возможности и проблемы, которые суще­ствуют в строительстве «солнечных городов».

Для того чтобы разработать планы строительства городов для следующего столетия, необходимо содружество ученых, ин­женеров, архитекторов, политиков, законодателей, подрядчиков и общественности. Задача трудная, но решение должно быть и будет найдено.

Солнечные коллекторы могут проектироваться невидимыми или строиться на крыше, и это не более «агрессивная» конструк­ция крыши, чем крыша с телевизионными антеннами, дымохода­ми и вентиляторами. Мы можем надеяться, однако, что общест­венность и законодатели не будут возражать против этих новых строительных элементов. На рис. 56—62 даны примеры того, как солнечные компоненты могут составлять целое с конструкцией здания. Правительства должны поощрять использование солнеч­ной энергии в строительстве домов специальными законами, как это уже сделано в США, Германии и Франции.

Экономия энергетических ресурсов может стать достоянием целой нации — и не только для уменьшения расходов, но и для

сохранения чистоты окружающей среды. Использование солнеч­ной энергии поможет избежать «термического потолка», т. е. пе­регрева атмосферы, который может возникнуть при использова — : нии других форм энергии.

Если температура на земном шаре поднимется лишь на не­сколько градусов, наш привычный климат может быть уничто­жен. За этим могут последовать неисчислимые катастрофы, на- цример такие, как сокращение воздушных потоков (без ветра большие города немедленно задохнутся!), возврат ледников, подъем уровня моря, передвижение континентов и другие. Зако­нодатели всегда должны использовать общественность, не теряя времени на эстетические и другие менее важные проблемы, когда. нужно сосредоточить усилия на борьбе с такими реальными и „грозными опасностями.

Вопросы эстетики солнечных домов являются объектом много­численных дискуссий. Но уже сегодня можно вполне реально со­здавать прекрасные дома и с черными солнечными коллекторами. Миллионы зданий, воздвигнутые из бетона, стекла и металла, да­леко не прекрасны. Даже наихудшая по эстетическим качествам «солнечная архитектура» удовлетворяет с технической точки зре­ния, а это преимущество за последние десятилетия может быть продемонстрировано лишь в нескольких обычных зданиях. Сол­нечные коллекторы и тепловые аккумуляторы могут быть эстети­зированы природным окружением. Но это нельзя поручать не ар­хитектору, так как уже существует множество примеров неудач­ных импровизированных решений. Эти работы должны выпол­няться как для новых зданий, так и при реконструкции старых, поскольку 80% зданий, которые стоят сегодня, будет стоять и в 2000 г.

Люди всегда были консервативны по сравнению с новатора­ми, которые хотят сделать что-то необычное. Для того чтобы по­бедить сомнения, необходимо попытаться предложить что-то но­вое, хотя бы в условной форме. Первый создатель автомобиля работал на этом принципе с большим успехом!

«Главными задачами архитектора при проектировании горо­да является удовлетворение постоянной нужды человека в солн­це, жилом пространстве и зелени, главная цель — сделать эти источники человеческого счастья доступными для всех», — так писал Ле Корбюзье в 1933 г. после Конгресса СІАМ, на котором эти идеи подробно излагались как доктрина современной архи­тектуры (Афинская хартия).

К несчастью, эти идеи, которые возникли как реакция на не­здоровые жилищные условия больших индустриальных городов, часто игнорируются. Результаты новой архитектуры были, к со­жалению, прямым противопоставлением предположениям пер­вопроходца. Вместо логичных и открытых природе зданий с есте­ственным и хорошим солнечным освещением были построены бе­тонные и стеклянные коробки с большими и неконтролируемыми энергетическими потребностями.

Было бы просто, конечно, возложить всю ответственность за создавшуюся ситуацию на архитекторов и инженеров, но они лишь строили то, что от них требовали. Архитектура всегда была и будет зеркалом своей эпохи, поэтому наши здания похожи на нас. Здесь существует проблема: если мы хотим иметь лучшую архитектуру, мы должны прежде всего изменить наше собствен­ное мышление. Архитектура, зависящая от него, непременно по­следует за этими изменениями. После многих десятилетий строи­тельная индустрия сегодня имеет возможность предложить целый ряд новшеств. Благодаря «солнечной архитектуре» мы можем вернуться к здоровым, свободным от загрязнения и более эконо­мичным методам строительства, которые могли бы принести нео­ценимую пользу всему человечеству.

Планировка города есть выражение существующих законов.

Планирование «солнечных городов» требует новых правил, кото­рые имеют отношение к новым техническим гипотезам. ‘

Строительные нормы, касающиеся использования пространст­ва, стиля здания, размера окон, безопасности и т. д., должны быть изменены для того, чтобы послужить основой для нового за­кона о солнечной архитектуре. Такие узаконенные правила уже существуют в Великобритании, США; во Флориде, например, за­кон гласит, что все новые установки горячего водоснабжения должны приводиться в действие солнечной энергией.

Последовательность работ при проектировании солнечных до­мов принимается следующая:

1. Проектировать фундамент и объем здания таким образом, чтобы наибольшее внутреннее пространство получить при мини­мальной площади наружных стен. Обеспечить максимальную ориентацию здания на юг, определить наивыгоднейшее положе­ние солнечных коллекторов, применить надежную изоляцию для стен, крыш и окон. При этом метеорологические условия и интен­сивность инсоляции должны быть наиболее благоприятны для возможно больших площадей здания.

2. Расчет тепловых потерь для пространства, требующего тепла.

Наиболее значительные тепловые потери происходят через наружные поверхности, через вентиляцию, при хранении тепла.

3. С помощью понятия «комфортность» (см. прил. 1) опреде­ляются месячные тепловые потребности, зависящие от наружной температуры, т. е.

«комфортность» X наружную поверхность X величину К — = потребностям в тепле.

4. Расчет необходимой ежемесячной энергетической мощности для обеспечения горячего водоснабжения (нагрев 200 л/сут от 10° С до 60° С требует 280—310 Мкал/мес).

5. Составление списка энергоприемных сооружений и опреде­ление доступных в течение месяца энергетических источников, в том числе:

общей радиации, воспринимаемой коллекторами;

радиации через окна, расположенные на іржном фасаде зда­ния;

человеческого тепла (около 130 Мкал/мес); , . ‘

тепла от приготовления пищи (около 120 Мкал/мес); . .’ну., тепла от освещения (около 80 Мкал/мес); ’

вспомогательного тепла от тепловых насосов, от дров, огня, электрических средств и т. д.

6. Определить необходимый тепловой комфорт, внешнюю энергетическую стратегию и установить экономические отноше­ния между этими факторами для того, чтобы определить размеру — коллекторов и аккумуляторов.

7. Определить окончательные объемы суммарной энергии, требуемой ежемесячно от солнечной радиации и других источни­ков,

8. Установить ежемесячный энергетический баланс для энер­гопотребностей здания, определить величину внешней энергии для декабря — января, стараясь при этом использовать излишки летней солнечной энергии. Это может быть осуществлено строи­тельством теплых плавательных бассейнов с горячей водой ила

экономичных тепловых аккумуляторов для использования сохра­ненного тепла в зимний период.

Основная проблема — размеры поверхностей коллектора и объема аккумулятора, так как эти два элемента определяют не­зависимость дома от наружных источников энергии. Эта незавш симость, рассчитанная на самые холодные зимние месяцы, может исчисляться временем от нескольких часов до нескольких недель. Споры об экономичности использования солнечной энергии начи­наются тогда, когда в строительство коллектора и аккумулятора уже сделаны капитальные вложения и затрачены деньги. В на­стоящее время между экспертами нет согласия в оценке стоимо­сти солнечной энергии. Научно рассчитанные показатели колеб­лются в пропорции 1:5 в зависимости от позиции каждого экс­перта. . ,

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

Ниже перечисляются основные правила, которых следует всегда придерживаться.

1. Строить с учетом климата и изучать естественные условия.

2. Проект, не учитывающий сохранение энергии, в большинст­ве случаев не имеет успеха и всегда неэкономичен,

3. Хорошая инсоляция всего здания обеспечивает снижение его энергетических потребностей.

4. Значение К для стен и крыши не должно превышать 0,5.

5. Уменьшать площадь окон до минимума и применять по крайней мере двойное, а если возможно, тройное остекление.

6. Располагать отверстия и солнечные коллекторы с южной стороны и правильно ориентировать здание.

7. Избегать затенения южного фасада здания.

8. Учитывать взаимосвязь эстетических и технических сторон при проектировании солнечных коллекторов и аккумуляторов тепла.

9. Учитывать, что технически и конструктивно многократное использование энергии всегда находит применение в доме (от­работанная вода, освещение и т. д.).

10. Предусматривать защиту дома от холодного ветра (дере­вьями, склонами, тепловыми буферными зонами и т. д.).

11. В ветреных районах широко использовать мощность вет­ряных генераторов.

12. Тщательно рассчитывать оптимальное соотношение между объемом здания и наружной поверхностью (максимально воз­можный объем при наименьшей поверхности).

13. Предусматривать проектирование тепловой буферной зо­ны (т. е. двойные двери, крытые террасы и др.).

М. Использовать редкое физическое явление экзотермии (теп­лоотдачи).

15. Использовать термические свойства аккумуляторов здания с точки зрения оптимального решения резервуара для возмеще­ния дневных (ночных) теплопотерь и удовлетворения сезонных тепловых энергетических требований.

16. Учитывать оптимальное соотношение комфортной, авто­номной и наружной энергий.

17. Уменьшать теплопотери через окна, увеличивая величину К■ (Окно днем обеспечивает нас меньшим количеством калорий, чем теряет их ночью. Если окна ночью изолировать, положитель­ный тепловой баланс можно получить через окна южного фасада дома.)

18. Включать в тепловой баланс всю пригодную энергию, та­кую, как радиация через окна, освещение, человеческое и живот­ное тепло.

19. Использовать тепло, получаемое в кухне, при помощи спе­циальной печи, обладающей большой аккумулирующей способ­ностью, и других конструктивных мероприятий.

20. Избегать затенения здания другими строениями.

21. Располагать ванные комнаты и кухни в северной стороне дома и рассматривать их как буферную зону.

22. Частично использовать подвальные помещения в качестве тепловых резервуаров, имея в виду способность земли сохранять тепло.

Если по возможности следовать всем этим правилам, то при­ток энергии в энергетическом балансе будет относительно боль­ше, а потери меньше. Эти и подобные мероприятия могут умень­шить энергетические потребности жилых помещений до 50%.

Хотя солнечная энергия доступна в неограниченном количест­ве, ее использование создает много трудностей вследствие рас­сеянного распределения (только 60 Вт/м2 зимой) и нерегулярно­сти радиации (день — ночь, лето — зима).

Использование энергии и ее хранение требуют относительно больших капитальных затрат; таким образом, солнечная энер­гия, так же как газ и электричество, должна рассматриваться как энергия, стоимость которой может быть выражена в опреде­ленных цифрах.

.Г;>

Во многих «солнечных домах» к солнечной тепловой системе добавляется важный вспомогательный элемент — тепловой насос.

Тепловой насос, используя свободные источники тепла и дру­гие возможности, уменьшает нагрузку на солнечную тепловую систему.

Принцип теплового насоса описан английским физиком лор­дом Келвином в 1852 г.

Насосная установка берет тепло из окружающей воды при низких температурах. Источником могут быть грунтовые воды, реки, ручьи, озера, почва, воздух и дренажные воды. Это свобод­ное тёпло превращается в тепло с высокой температурой и таким образом может использоваться для отопления и подогрева воды. В пасмурные дни эта система помогает солнечной установке. Теп­ловые насосы делают солнечные дома более независимыми в хо­лодные периоды года, хотя нельзя забывать, что они требуют внешнего энергетического снабжения.

4 Заи, 2041

Первый «солнечный дом» с тепловыми насосами был построен в Новой Гаване (США) в 1950 г. «Солнечный дом» в Альбюкер — ке (США, 1956) также обогревается с помощью тепловых насо­сов. Сейчас многие современные «солнечные дома», такие, как экспериментальный «солнечный дом» (Делавер, США), снабже­ны системами насосов.

Однако многие специалисты выражают сомнения в целесооб­разности применения тепловых насосов для солнечных установок.