6.1. Как обустроить солнечный дом

Каждый человек понимает, если не закрыть щели в окнах и дверях, не утеплить потолок и пол, то никакое топливо не поможет эффективно обогреть помещение. Даже если его сильно нагреть, тепло все равно через несколько часов уйдет в атмосферу. Но это — очевидные понятия. А как же грамотно обустроить свой дом. Чтобы Солнце помогало его обогреть?

С незапамятных времен человек организовывал пространственную структуру своего жилья с учетом ориентации на Солнце. Фактически то, что мы сейчас называем энергосберегающими строительными приемами, есть ничто иное, как попытка грамотного использования и сохранения тепла и света, которые дает нам Солнце.

Наши деды умели это делать, они строили дома с толстыми стенами, которые долго сохраняли тепло зимой, а летом прохладу. Но за последние 50 лет, несмотря на интенсивное развитие различных технологий, эти подходы были незаслуженно забыты.

Для обогрева зданий используются следующие типы пассивных гелиосистем:

С прямым улавливанием солнечного излучения, поступающего через здания или через примыкающую к южной стене здания солнечную теплицу (зимний сад, оранжерею).

С непрямым улавливанием солнечного излучения, т. е. с теплоаккумулирующей стеной, расположенной за остеклением южного фасада;

С контуром конвективной циркуляции воздуха и галечным аккумулятором теплоты.

Кроме того, могут использоваться гибкие системы, включающие элементы пассивной и активной гелиосистемы. Пассивные системы составляют интегральную часть самого здания, которое должно проектироваться таким образом, чтобы обеспечивать наиболее эффективное использование солнечной энергии для отопления. Наряду с окнами и остекленными поверхностями южного фасада для улавливания солнечного излучения также используются остекленные проемы в крыше и дополнительные окна в верхней части здания, которые повышают уровень комфорта человека, так как исключают прямое попадание солнечных лучей в лицо. Одно из важнейших условий эффективности работы пассивной гелиосистемы заключается в правильном выборе местоположения и ориентации здания на основе критерия максимального поступления и улавливания солнечного излучения в зимние месяцы.

Прямое улавливание солнечной энергии может эффективно осуществляться при соблюдении следующих условий:

1) оптимальная ориентация дома — вдоль оси восток-запад или с отклонением до 30°от этой оси;

2) на южной стороне 50-70 % всех окон, а на северной — не более 10%, причем южные окна должны иметь двухслойное остекление, а северные окна — трехслойное;

3) здание должно иметь улучшенную тепловую изоляцию и низкие теплопотери вследствие инфильтрации наружного воздуха;

4) внутренняя планировка здания должна обеспечивать расположение жилых комнат с этой стороны, а вспомогательных помещений — с северной;

5) должна быть обеспечена достаточная теплоаккумулирующая способность внутренних стен и пола для поглощения и аккумулирования теплоты солнечной энергии;

6) для предотвращения перегрева помещений в летний период над окнами должны быть предусмотрены навесы, козырьки и т. п.

КПД такой системы отопления, как правило составляет 25-30 %, но в особо благоприятных климатических условиях может быть значительно выше и достигать 60%. Существенным недостатком этой системы являются большие суточные колебания температуры воздуха внутри помещений. Пассивные системы имеют такой же срок службы, как и само здание. Наряду с получением теплоты эти

системы также обеспечивают эффективное использование дневного освещения, благодаря чему снижается потребление электроэнергии.

Задача строительства энергоэффективного дома заключается в том, чтобы извлечь максимальную пользу из климатических особенностей местности. Солнечный обогрев пассивного солнечного дома может быть как абсолютным, без использования других методов теплообеспечения, так и частичным (дополняющим другие способы обогрева). Поэтому под понятием «солнечный дом» часто подразумевают комбинацию солнечного пассивного нагрева, естественного освещения и технических средств использования солнечной энергии для теплоснабжения и получения электричества. Такой подход может быть использован для всех типов зданий и в любых климатических условиях. При этом акценты для разных климатических зон и времени года различны: в северных странах (а зимой во всех зонах) доминирует потребность в отоплении, а в южных — более важным является охлаждение. Хорошо сконструированное солнечное здание может быть мало зависимым от дополнительных источников тепла. В Европе есть примеры, когда при выполнении демонстрационных проектов было получено уменьшение потребления энергии в четыре и более раз.

Методы пассивного солнечного проектирования целесообразно применять при новом строительстве дома, однако и готовые здания также могут быть приспособлены к пассивному накоплению солнечного тепла.

В приведенной ниже таблице показаны основные типы пассивного использования солнечной энергии.

Тип	Поступление излучения
Пассивное использование солнечной энергии
С прямым улавливанием солнечного излучения	Через окна или примыкающий к южной стене зимний сад (оранжерею, теплицу)
С косвенным улавливанием солнечного излучения	На теплоаккумулирующую стену, расположенную за остеклением южного фасада

Рассмотрим, как работает пассивный солнечный дизайн. Согласно фундаментальному закону физики, тепло передается от более теплых материалов к менее теплым, до тех пор, пока между ними не останется никакой температурной разницы. Пассивный солнечный дизайн реализует это правило через следующие механизмы движения и накопления тепла:

1. Теплопередача. Тепло передается через тела, от молекулы к молекуле. По мере нагревания тела, молекулы, находящиеся ближе всего к источнику тепла, начинают интенсивно вибрировать. При этом вибрация передается соседним молекулам, за счет чего возникает передача тепла.

2. Конвекция. Это перенос теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. При конвекции более легкая и теплая текучая среда поднимается вверх, в то время как прохладная и более плотная среда опускается вниз. Например, теплый воздух поднимается за счет того, что он легче холодного. Именно поэтому теплый воздух, как правило, скапливается на верхнем этаже здания, в то время как подвал остается прохладным. В некоторых пассивных солнечных домах конвекция используется для переноса солнечного тепла от южной стены внутрь здания.

3. Излучение (радиация). Излучаемое тепло передается по

воздуху от более теплых предметов к менее теплым. Для пассивного солнечного излучения наибольшую важность представляют два типа излучения: солнечное и инфракрасное. В зависимости от

особенностей облучаемого предмета, излучение может поглощаться, отражаться либо пропускаться.

Непроницаемые предметы поглощают 40-95% поступающей солнечной радиации, в зависимости от цвета (темные цвета, как правило, поглощают больше тепла, чем светлые). Вот почему поверхность поглотителя солнечной энергии чаще всего окрашена в темные цвета поскольку светлые материалы отражают 80-98% поступающей солнечной энергии.

Стекло пропускает 80-90% солнечной радиации, а поглощает и отражает всего лишь 10-20%. Пропускаемое стеклом солнечное излучение поглощается поверхностями в доме, а позже снова ими излучается в виде инфракрасной радиации. Между тем, стекло, способное пропускать солнечную радиацию, поглощает, а позже излучает его обратно в дом.

4. Теплоемкость. Означает способность материалов к накапливанию тепла. Материалы, способные сохранять тепло, называются термальной массой. Чем больше объем термальной массы, тем больше тепла она сохраняет при повышении температуры на один градус. В качестве термального массива в пассивных солнечных домах часто используются кладочные материалы, такие как бетон, камень, кирпич и плитка. Хорошей теплоемкостью обладает и вода.

Существует пять элементов дизайна пассивного солнечного дома. Для того, чтобы спроектировать абсолютно пассивный солнечный дом, требуется сочетание 5 элементов пассивного солнечного дизайна, каждый из которых выполняет отдельную функцию.

1. Световой проем (коллектор). Это большое стекло (окно), через которое свет проходит в здание. Световой проем должен располагаться под углом 30 градусов к солнцу и не должен находиться в тени других зданий или деревьев с 9 до 15 часов, каждый день в течение отопительного сезона.

2. Поглотитель. Это твердая, темная поверхность

накопительного элемента. Емкость с водой или поверхность кирпичной стены, пола, перегородки должны находиться на пути солнечного света. Свет, падающий на поверхность, поглощается ею в виде тепла.

3. Термальная масса. Это материалы, преобразующие солнечное излучение в тепло и накапливающие его. Как поглотитель, так и термальная масса являются составными частями одних и тех же предметов и конструкций. Разница между ними состоит в том, что поглотитель относится именно к поверхности, тогда как термальная масса является материалом, находящимся за этой поверхностью.

4. Распределение. Способ, при котором происходит распространение солнечного тепла от накапливающих тепло элементов к другим частям дома. В абсолютно пассивном дизайне распределение тепла по помещению осуществляется посредством теплопередачи, конвекции и радиации (излучения). В отдельных случаях, в качестве вспомогательных средств, способствующих распределению тепла, могут использоваться вентиляторы и воздухоотводы.

5. Контроль. Во избежание перегревания в жаркие летние месяцы, оконные проемы защищаются выступами крыши. Среди других элементов, регулирующих степень нагревания, можно упомянуть электронные сенсорные приспособления (например, дифферениальный термостат, подающий сигнал для включения вентилятора), вентиляторы и воздушные клапаны для управлением потоком тепла, жалюзи с низкоэмиссивным покрытием, а также навесы.

Окна для дома с пассивным солнечным энергообеспечением.

Окна, являющиеся одним из важнейших элементов дизайна пассивного солнечного дома, способны значительно сократить потребность здания в дополнительном отоплении, охлаждении и освещении.

Стратегия пассивного солнечного дизайна во многом обусловлена как расположением здания, так и местным климатом. Основной принцип, связанный с использованием окон, остается неизменным — с помощью правильной ориентировки и размера стекла, а также определенного остекления можно регулировать поступление в дом солнечного тепла.

1. Прохладный климат. В местностях с прохладным климатом, где здания нуждаются преимущественно в отоплении, а не в охлаждении, основные остекленные площади должны выходить на юг. Так они смогут улавливать солнечное тепло даже зимой, когда солнце находится низко. Избежать чрезмерного нагревания летом, когда солнце стоит высоко, помогают выступы крыши и другие затеняющие приспособления.

Для того чтобы максимально увеличить приток тепла в зимнее время, эффективные окна должны иметь коэффициент поступления солнечного тепла не менее 0,6, коэффициент теплопередачи, не превышающий 0,35 (для уменьшения теплоотдачи), а также высокий показатель пропускания солнечного света.

В условиях прохладного климата, располагать окна на восточной, западной и северной стороне нежелательно. Если окна выходят на восток или на запад, контролировать поступление тепла и света при низком положении солнца становится сложным. Такие окна должны обладать низким коэффициентом поступления солнечного тепла, кроме того они должны быть затенены. Окна, смотрящие на север, улавливают слишком мало тепла, поэтому используются только для полезного освещения.

2. Жаркий климат. В жарком климате, где здания в первую очередь нуждаются в охлаждении, окна предпочтительно ориентировать на север. Если окна смотрят на юг, им необходимо тщательное затенение. Наиболее эффективны окна с низким коэффициентом поступления солнечного тепла. Уменьшить приток солнечного тепла помогают:

— стекло с низкоэмиссионным покрытием;

— тонированное стекло;

— солнцеотражающее стекло;

— спектрально-селективное стекло.

Все эти виды стекол, за исключением спектрально­селективного, также способствуют снижению степени пропускания солнечного света.

Таким образом, если солнце светит, солнечный дом зачастую даже в холодные дни обходится без активного отопления. Однако пассивное использование солнечной энергии не может конкурировать с ее активным использованием, так как собранное коллекторами солнечное излучение может храниться в резервуаре несколько дней, а иногда и недель.

В самом простом и наиболее распространенном варианте использования солнечных коллекторов большая часть энергетических потребностей солнечного дома обеспечивается солнечным светом и теплом, за счет чего затраты других энергоносителей снижаются на 40-60% в зависимости от конструкции здания и его местоположения. Солнечный дом, оснащенный эффективной тепловой установкой, может полностью удовлетворить запросы его обитателей в тепле и свете даже без использования других источников энергии. И при этом — никаких отключений и перебоев в подаче электроэнергии, никаких проводов извне, никаких счетчиков, никаких запасов дров, угля или мазута.

Главное в концепции "солнечного" жилого дома — максимальное, исходя из особенностей местности и климата, использование солнечного излучения, превращение его в тепло и сохранение тепловой энергии в доме с наименьшими потерями. Реализация такого подхода дает значительную экономию средств и улучшает экологическую обстановку (за счет минимального применения всех других источников энергии): в атмосферу выбрасывается меньше продуктов горения, дороги освобождаются от тяжелого транспорта, перевозящего миллионы тонн топлива, леса сохраняются от вырубки на дрова и т. д.

Пассивная системы энергосбережения "солнечного" дома предусматривает использование некоторых архитектурно­строительных приемов на стадии проектирования:

— ориентация дома по оси юг-север;

— отсутствие затенения южной стены;

— наличие северной пологой стены с минимальным количеством

окон;

— наличие остекленной южной стены (окна с двойными или тройными рамами и воздушной прослойкой толщиной 10 мм между стеклами, способствующей термоизоляции. С этой же целью между стеклами можно установить жалюзи, которые будут закрываться вручную или управляться термостатом по разности внутренней и наружной температур);

— усиленная термоизоляция наружных стен;

— обустройство тепловых тамбуров на входе;

— наличие за остекленной южной стеной массивной стены, служащей аккумулятором дневного тепла (стена Тромба);

— организация в подвальном помещении воздушного теплообменника (в виде ящика с гравием или емкости с водой), аккумулирующего до 80% тепла из выходящего наружу "отработанного" воздуха;

— использование теплиц и помещений с верхним дневным светом (атриумов), играющих роль тепловых аккумуляторов.

Перечисленные технические приемы лишь незначительно (на 5­10%) увеличивают стоимость строительства, но при этом более чем вдвое снижают затраты на отопление жилья.

Активная система энергосбережения "солнечного" дома — это тепловые солнечные коллекторы, панели фотоэлектрических элементов (солнечные батареи), регулировочная автоматика, компьютер, управляющий тепловым и световым режимами, и другая высокоэффективная техника для максимального усвоения солнечной энергии.

Реализованных проектов "солнечных" домов, частично или полностью обеспечивающих себя солнечной энергией, в мире довольно много. Их строят не только в теплых краях (Египет, Израиль, Турция, Япония, Индия, США) и в странах с умеренным климатом (Франция, Англия, Германия), но и во многих северных регионах (Швеция, Финляндия, Канада, Аляска). Ежегодно в западных странах вводятся сотни тысяч квадратных метров жилья в энергосберегающих "солнечных" домах. Специализированные предприятия выпускают для них оборудование и материалы, а строительством занимаются крупные фирмы, такие, например, как Concept Construction (Канада) или Enercon Building Corporation (США).

Во многих передовых странах развитие "солнечного" домостроения стало одним из направлений государственной политики. Вопросами энергосберегающего строительства занимаются ЮНЕСКО, Европейская комиссия ООН, Департамент энергии США. Создана и успешно действует всемирная организация по развитию и распространению энергетических технологий ОРЕТ. Международное общество по солнечной энергии ISES, образованное еще в 1954 году, издает журнал "Solar Energy" по вопросам усвоения и рационального использования солнечной радиации.